與通過(guò)旋涂法生產(chǎn)的、在惰性氣氛中長(zhǎng)時(shí)間熱退火以實(shí)現(xiàn)完全結(jié)晶的小面積鈣鈦礦薄膜不同，可印刷鈣鈦礦光伏技術(shù)面臨著晶體生長(zhǎng)質(zhì)量和因水和氧氣暴露導(dǎo)致的環(huán)境降解之間的關(guān)鍵權(quán)衡。

在此，南昌大學(xué)陳義旺教授，胡笑添教授和廣安理工學(xué)院李鴻祥等人通過(guò)原位掠入射廣角X射線散射分析，揭示了在熱處理過(guò)程中鈣鈦礦的四階段降解機(jī)制，并識(shí)別出一個(gè)123±18秒的無(wú)環(huán)境降解窗口，在此期間水和氧氣的影響被顯著減輕。激光退火（波長(zhǎng)455納米，功率密度20W cm?2）提供的輻照強(qiáng)度比傳統(tǒng)熱方法（0.06W cm?2）高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而防止了六方相鈣鈦礦的積累。這一策略實(shí)現(xiàn)了24.0%（在100cm2剛性模塊中）和20.7%（在柔性對(duì)應(yīng)物中）的光電轉(zhuǎn)換效率，這些是可擴(kuò)展鈣鈦礦光伏技術(shù)中報(bào)告的高值。

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研究背景

小面積（<0.1cm2）金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已提高到超過(guò)27%，達(dá)到了商業(yè)光伏技術(shù)的水平。為了實(shí)現(xiàn)這些PCE，精確控制的惰性氣體環(huán)境下的熱退火已成為標(biāo)準(zhǔn)做法。

鈣鈦礦材料的溶液可加工性優(yōu)勢(shì)為高通量和成本效益的卷對(duì)卷（R2R）技術(shù)提供了途徑。作為一種多晶材料，鈣鈦礦的晶體質(zhì)量，包括結(jié)晶度、化學(xué)計(jì)量比和均勻性，在決定PCE和器件穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

盡管在加速老化測(cè)試中，大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊（PSMs）的操作壽命已延長(zhǎng)至數(shù)千小時(shí)，接近實(shí)際使用要求，但其仍落后于小面積PSCs。從PSCs到PSMs的高效放大受到諸如傳輸層覆蓋等因素的阻礙，這影響了跨層的熱傳遞均勻性，實(shí)現(xiàn)晶體質(zhì)量的均勻性已成為一個(gè)關(guān)鍵研究重點(diǎn)。

延長(zhǎng)退火時(shí)間可以改善鈣鈦礦的結(jié)晶度，但它也加劇了環(huán)境條件下的降解。淺層缺陷源于組分揮發(fā)，深層缺陷則由離子遷移導(dǎo)致，這兩者都對(duì)大面積薄膜的均勻性產(chǎn)生影響。長(zhǎng)時(shí)間退火加速了水（H2O）和氧氣（O2）與鈣鈦礦薄膜的相互作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)降解、晶體坍塌以及保持批次一致性方面的挑戰(zhàn)。

向高通量連續(xù)制造的轉(zhuǎn)變不僅需要快速薄膜沉積，還需要加快后處理以提高PSMs的制造效率。在大多數(shù)報(bào)道的高效率PSC制造過(guò)程中，退火時(shí)間在惰性氣體條件下從幾十分鐘到數(shù)小時(shí)不等。

然而，這些延長(zhǎng)的處理時(shí)間對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能板的大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)了。傳統(tǒng)的熱退火難以與鈣鈦礦薄膜的高速生產(chǎn)需求相協(xié)調(diào)，而使用大規(guī)模真空爐則會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的資本成本。因此，在環(huán)境條件下減少后處理時(shí)間對(duì)于最小化能源消耗和提高優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的產(chǎn)量至關(guān)重要，從而平衡生產(chǎn)效率、可制造性和性能。

開發(fā)一種快速、精確且高效的退火技術(shù)對(duì)于克服高通量制造中的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。本文提出了一種納秒激光退火（LA）技術(shù)，它能夠在環(huán)境條件下快速后處理鈣鈦礦薄膜。通過(guò)原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS），我們描繪了鈣鈦礦薄膜在環(huán)境條件下演變的四個(gè)不同階段：無(wú)環(huán)境降解窗口（123±18秒）、H2O降解階段、穩(wěn)定階段和O2降解階段。

利用無(wú)環(huán)境降解窗口，本文以比傳統(tǒng)熱方法（0.06W cm?2）高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的輻照強(qiáng)度（20W cm?2）為鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)提供了必要的能量。對(duì)于100cm2的開口面積，整個(gè)LA過(guò)程在大約20秒內(nèi)完成，有效防止了鈣鈦礦薄膜的降解。

綜上所述，本文開發(fā)了一種激光退火技術(shù)，用于在環(huán)境條件下對(duì)鈣鈦礦薄膜進(jìn)行高質(zhì)量的后處理。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的能量輸入，并顯著提升鈣鈦礦器件的性能和穩(wěn)定性。與相同尺寸的傳統(tǒng)方法相比，認(rèn)證PCE分別提高了3.0%和5.0%。這項(xiàng)工作建立了一種適用于大面積光伏的高通量和可擴(kuò)展的后處理策略，為高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和模塊的工業(yè)化提供了一條具有商業(yè)可行性的路徑。通過(guò)實(shí)現(xiàn)在環(huán)境條件下的高效制造，激光退火過(guò)程代表了鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)廣泛部署的變革性進(jìn)步

Zhaoyang Chu?, Baojin Fan?, Yue Zhao, Yihuan Xie, Yaling Luo, Junliang Li, Chenxiang Gong, Yong Zhang, Xiangchuan Meng, Yu Chen, Hongxiang Li*, Xiaotian Hu*, Yiwang Chen*,Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9650

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