來源：頂刊收割機

將實驗室規模的鈣鈦礦太陽能電池轉化為大規模生產，需要實現鈣鈦礦薄膜的均勻結晶。

在此，杭州纖納光電有限公司姚冀眾，顏步一和楊旸等人設計了一種方法，通過使用定制的3D打印結構，在平方尺級的鈣鈦礦薄膜上生成明確定義的3D層狀氣流，以輔助結晶過程。由此產生的面積為0.7906平方米的鈣鈦礦太陽能模塊，其認證的光電轉換效率為15.0%，并符合三套太陽能電池標準。同時，對一個0.5兆瓦峰值功率的鈣鈦礦太陽能電站進行的為期1年的運行研究的指標表明，與同一設施中主要由于溫度依賴的運行特性而導致的硅模塊相比，每千瓦安裝容量的能量產量高出29%。

相關文章以“3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules”為題發表在Science上！

研究背景

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在光電轉換效率（PCE）和穩定性方面取得了顯著進展。實驗室規模的設備現在已經超過26%的光電轉換效率，并且在1倍光照和操作條件下，T90壽命（光電轉換效率下降10%所需的時間）達到數百小時也是可實現的。最高效率的實驗室規模PSCs使用旋涂和反溶劑淬火進行制造。這種方法確保了強大的、可控的層狀氣流，有助于濕膜的快速均勻干燥——這是一致成核和薄膜生長的關鍵步驟。這種理想的薄膜形成技術對于大規模制造是不切實際的，因此大規模生產高效穩定的鈣鈦礦太陽能模塊（PSMs）仍然是一個關鍵挑戰。

替代的沉積方法雖然被廣泛實施，但它們也有自己的挑戰。鄧等人使用氮氣空氣刀干燥刀片涂覆的鈣鈦礦薄膜，并在63.7平方厘米的迷你模塊上實現了16.4%的光電轉換效率。然而，氣流是一維（1D）單向模式，因此在大規模干燥薄膜時，基板的前緣和后緣之間存在時間差。這種效應可能導致在空氣刀到達之前，后緣附近的鈣鈦礦薄膜自我干燥。真空閃光中的均勻二維氣流可以緩解這個問題。丁等人在迷你模塊上應用了真空閃光方法，并在27.2平方厘米上獲得了穩定的23.0%光電轉換效率。這種方法用真空泵送的前幾毫秒內對流空氣達到最大流速的峰值輪廓替換了旋涂的恒定對流流型，并在大約10秒后迅速衰減至零。然而，對流氣流只能維持幾秒鐘，因此薄膜可能無法完全干燥，特別是如果它含有高沸點溶劑。

理論上，真空閃光可以提供均勻的二維流動，但通常無法快速干燥具有高沸點的大規模濕膜。此外，這些報告中的涂層面積遠低于商業PSM的要求，通常大于6500平方厘米。一種規避快速均勻結晶真空的方法是采用干燥過程。這種干燥過程簡化了鈣鈦礦薄膜的形成，但它們也限制了可以混合到鈣鈦礦前驅體中的添加劑的范圍，其中許多對穩定性或效率至關重要。

主要內容

迫切需要開發一種鈣鈦礦干燥方法，將高效率、強大的可靠性和良好的可重復性的優點結合到1平方米規模的涂層中。形成均勻的大規模鈣鈦礦薄膜需要類似于旋涂和反溶劑淬火的精確過程。狹縫涂布非常適合在大規模制造中生產10至50微米的均勻濕膜。隨后的干燥過程對于保持厚度均勻性以及啟動均勻結晶的成核至關重要。在這項工作中，本文介紹了一種干燥方法——層狀氣流干燥器（LAD）。LAD模擬了旋涂的氣流特性，并為鈣鈦礦薄膜的均勻干燥提供了精細控制的層狀流動。之后，將薄膜轉移到真空烘箱中進行退火。

計算流體動力學（CFD）模擬驗證了LAD在調節空氣速度和干燥持續時間方面的有效性。通過將這種方法納入生產線，我們制造了光電轉換效率最高認證的全面積為15.00%的PSMs。部署了一個523.8千瓦峰值（kWp）規模的屋頂PSM系統，其性能在運行1年后，在每千瓦安裝容量的能量產量方面超過了一個4兆瓦峰值（MWp）的硅基系統29%，這由等效全日照小時數（EFSH）表示。這種優越的性能歸因于溫度、光照浸泡和功率輸出之間的特定相互作用。此外，降解率分析證實，這些PSMs在其部署的第一年的穩定性與硅模塊相當。

圖1：PSM和LAD方法的一般過程。

圖2：使用旋涂、LAD和真空閃蒸比較空氣動力學和設備性能。

圖3：三種不同LAD設計的仿真優化及實驗結果。

圖4：本項目使用的STC中PSM的工廠內電力輸出數據概述。

圖5：利用UP值分析戶外運行條件下PSM和硅的溫度特性。

圖6：能量產出預測和穩定性分析。

結論展望

綜上所述，本文證明了層流空氣干燥器（LAD）干燥技術能夠提供平衡穩定性和效率的鈣鈦礦模塊。通過精確調節具有明確定義結構的LAD的氣流速度和持續時間，結合了旋涂和真空閃光的優點。由此產生的最優模塊達到了創紀錄的15%全面積效率，并在1年內保持一致的性能?，F場數據也證實了PSM的較小溫度系數在亞熱帶地區轉化為實際增益。根據現場數據，發現低溫系數在亞熱帶氣候中轉化為實際收益，第一年的性能比硅高出29%。此外，老化分析顯示第一年的降解率小于2%，結合加速的紫外線老化數據，估計T90壽命約為9年，這表明鈣鈦礦技術的商業化正在加速，這些結果為單結鈣鈦礦技術的商業化揭開了序幕。

文獻信息

Buyi Yan*, Wanlei Dai, Zheng Wang, Zhiming Zhong, Lei Zhang, Mingqiang Yu, Qianjin Zhou, Qianling Ma, Kangrong Yan, Lu Zhang, Yang (Michael) Yang*, Jizhong Yao*,3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001

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