鈣鈦礦太陽能電池在小面積電池中已實現超過27%的功率轉換效率，展現出巨大的商業化潛力。然而，從實驗室小面積電池向大面積組件的產業化推進過程中，傳統熱退火工藝面臨關鍵瓶頸：為獲得高質量晶體需要在惰性氣氛中進行長時間退火，這與低成本、高通量的卷對卷生產工藝要求嚴重不符；若直接在環境氣氛中進行退火，水氧分子又會迅速引發鈣鈦礦薄膜降解，導致晶體質量下降和性能衰減。美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進行控溫并控制電池所處的環境氛圍，進行長期的穩定性能測試。

本研究通過原位GIWAXS分析揭示了環境退火中的四階段降解機制，并識別出關鍵的"無降解窗口期"(123±18秒)。基于此發現，我們開發了一種激光退火技術，利用高輻照度(20 W/cm2)在秒級時間內完成能量注入，既滿足了晶體生長的能量需求，又避免了水氧降解的發生。該技術成功解決了鈣鈦礦組件在環境氣氛加工中的核心難題，為實現高性能鈣鈦礦光伏組件的大規模制造提供了切實可行的技術路徑。

環境氣氛下熱退火的局限性

(A) 鈣鈦礦薄膜在10分鐘熱退火過程中的原位GIWAXS圖；(B) 3C、6-CsPbI?、2H、4H、6H和PbI?相沿qz方向的GIWAXS強度隨時間演變。藍色虛線圓圈表明PbI?相的組成保持不變；(C) 環境條件下潛在的降解過程示意圖

傳統熱退火（TA）需在惰性氣氛中長時間進行（數十分鐘至數小時），不利于大面積連續生產。通過原位廣角X射線散射（GIWAXS）分析，我們揭示了鈣鈦礦薄膜在環境氣氛退火過程中的四階段降解機制：

無降解窗口期（123 ± 18 秒）：溫度升至100°C，6H相逐漸增加，PbI?相未變化，水氧尚未引發降解。

水降解階段：H?O分子破壞表面I?與Pb2?鍵合，導致FA?脫附并形成PbI?。

穩定階段：PbI?層作為保護屏障，減緩水解降解。

氧降解階段：O?與富PbI?表面反應生成碘酸鉛[Pb(IO?)?]，造成結構坍塌與空位缺陷。

即使縮短退火時間（STA），仍無法避免降解，且光電性能劣于TA電池。

激光退火抑制6H相積累

(A) 1分鐘激光退火過程中的原位時間分辨GIWAXS圖譜；(B) 熱退火（環境無降解窗口階段）和激光退火過程中3C:6H強度比隨時間的變化；(C) 熱退火和激光退火對鈣鈦礦相變不同影響的示意圖；(D) 1分鐘熱退火和激光退火的原位GISAXS曲線圖；(E) 熱退火和激光退火過程中晶粒尺寸變化曲線

LA采用455 nm波長、20 W/cm2的輻照度，較TA（0.06 W/cm2）高兩個數量級，可在約20秒內完成100 cm2薄膜處理。通過GIWAXS與GISAXS分析發現：

LA促使3C相快速形成并穩定，而δ-CsPbI?、2H、4H和PbI?相迅速減少。

6H相在LA過程中短暫上升后迅速下降，而在TA中持續積累。

3C:6H強度比在LA中達6.5（TA僅1.94），表明LA有效促進6H向3C相轉變。

掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）顯示LA薄膜晶粒均勻、無PbI?與孔洞，原子級圖像進一步證實其具有典型的3C立方結構。

LA降低應變與缺陷

(A) 大面積鈣鈦礦薄膜被均勻劃分為100個測量點；(B) 按(A)方法制備的TA和LA鈣鈦礦薄膜上100個測量點的烏爾巴赫能量測量值；(C) TA和LA器件的DLTS信號；(D) 用于識別TA和LA器件中陷阱的阿倫尼烏斯圖；(E) 缺陷的相應俘獲截面，代表能級俘獲電子的概率；(F) 帶隙內深能級陷阱的示意圖

通過幾何相位分析（GPA）和X射線衍射（XRD）發現，TA薄膜中PbI?納米團簇和中間相引起晶內應變，而LA薄膜應力顯著降低。缺陷分析表明：

Urbach能量（E?）：LA薄膜E?更低且分布均勻，TA薄膜邊緣E?較高，反映其晶體質量不均。

深能級瞬態譜（DLTS）：TA電池存在兩個p型深能級陷阱（D1: 0.385 eV，D2: 0.528 eV），D2缺陷密度高達1.85×101? cm?3；LA電池僅有一個淺陷阱（D1: 0.305 eV），捕獲截面小30倍。

熒光性能：LA薄膜的PLQY達9.7%（TA為4.3%），載流子壽命延長至1.67 μs（TA為0.83 μs），表明非輻射復合被有效抑制。

電池光電性能與穩定性

Millennial Solar

(A) PSCs和PSMs的結構示意圖；(B) 1.57-eV PSCs的功率轉換效率；(C) TA和LA PSCs的填充因子損失計算；(D) TA和LA PSCs的準費米能級分裂計算；(E) 1.57-eV剛性PSM的認證效率；(F) 1.57-eV柔性PSM的認證效率；(G) 加速熱穩定性壽命測試[85°C, 85%相對濕度，環境空氣]；(H) 連續最大功率點跟蹤運行穩定性測試（光熱穩定性）

基于LA和TA薄膜制備的PSCs和PSMs結構為：玻璃/PEN/ITO/MeO-2PACz/Al?O?/鈣鈦礦/PEAI/LiF/C??/BCP/Ag。結果顯示：

小面積PSCs（1.57 eV）：LA電池PCE達26.2%（TA為24.0%），VOC和FF分別提升至1.20 V和85.8%，達到S-Q極限的89%。

大面積PSMs：100 cm2剛性與柔性組件認證效率分別為24.0%和20.7%，子電池效率分布更均勻。

穩定性測試：

在85°C/85%RH條件下，LA-PSM在864小時后保持85%初始效率，TA-PSM在504小時后僅剩65%。

在連續光照MPPT測試中，LA-PSM在1800小時后保持95%效率，TA-PSM僅維持950小時。

本研究開發了一種適用于常壓條件下鈣鈦礦薄膜高質量后處理的激光退火技術，該技術能夠快速輸入能量，顯著提升鈣鈦礦電池的性能和穩定性。在帶隙為 1.57 電子伏特（PCE：26.2% vs 24.0%）和 1.67 電子伏特（PCE：22.6% vs 20.4%）的鈣鈦礦電池中，該技術的有效性得到了驗證。對于 100 平方厘米的剛性和柔性鈣鈦礦太陽能組件，經認證的 PCE 分別達到 24.0% 和 20.7%，同尺寸組件的認證 PCE 分別提升 3.0% 和 5.0%。

該研究為大面積光伏電池提供了一種高通量、可規模化的后處理策略，為高性能鈣鈦礦太陽能電池和組件的產業化提供了商業可行的路徑。激光退火工藝實現了常壓條件下的高效制造，是鈣鈦礦太陽能技術廣泛應用的一項變革性進展。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

Millennial Solar

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術和多功能設計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標準

多型號電子負載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀主要應用于成品鈣鈦礦單結，疊層成品電池穩定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統始終以最優功率輸出。這不僅能最大化發電量，還能提升整個光伏系統的工作穩定性和經濟性。

原文參考：Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules

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