Science重大突破：3D层流辅助钙钛矿结晶用于平方米级太阳能组件

金爵 7天前 364浏览

一、 【科学背景】  

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在实验室中已实现超过26%的效率，并展现出更优的稳定性；然而，其规模化制造仍面临挑战。高效器件通常依赖旋涂与抗溶剂淬火的方式，该方法通过层流气流实现均匀干燥，但并不适用于大面积组件。替代方案如氮气气刀干燥存在一维气流的问题，导致薄膜干燥不均；真空闪蒸法虽然实现了二维气流，但难以保证高沸点溶剂的充分干燥时间。这些技术难以满足大于6500平方厘米的商业需求。高真空下的干法沉积简化了薄膜成膜过程，但限制了添加剂的使用，从而抑制了效率和稳定性的提升。尽管已有进展，如何在不限制溶剂与添加剂类型的前提下，实现大面积薄膜的快速均匀结晶，仍是高效稳定钙钛矿太阳能组件量产的关键。杭州纤纳光电滚球体育 股份有限公司的首席执行官姚冀众（法定代表人）、公司副总裁颜步一以及浙大杨旸团队携手合作利用计算流体力学和增材制造技术，设计并制造出一种可实现大面积基底均匀干燥的干燥头。相关研究成果以“3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules”为题目发表在国际顶级期刊Science上。

 

二、【科学贡献】

图1 PSM和LAD方法的一般信息。© 2025 Science

图2使用旋涂、LAD和真空闪蒸的空气动力学和器件性能比较。© 2025 Science

图3三种不同LAD设计的模拟优化及实验结果。© 2025 Science

图4概述用于本项目的PSM在STC下的工厂内功率输出数据、屋顶光伏系统的EFSH能量产出以及冠军组件性能。© 2025 Nature

图5利用UP值分析PSM和硅在户外运行条件下的温度特性© 2025 Science

 

三、【 创新点】 

      1．LAD的可调气流与延长干燥时间使其能够兼容高沸点溶剂和复杂前驱体配方，克服了真空闪蒸法的局限。

  1. 结合槽模涂布的可扩展性与旋涂的精准控制，LAD提供了一种可重复的高性能钙钛矿组件解决方案。
  2. 主要归因于其更优的温度性能，组件在一个0.5兆瓦峰值（MWp）光伏系统中一年的运行数据分析表明，其单位装机容量能量产出比硅组件高出29%。

四、【 科学启迪】

       杭州纤纳光电滚球体育 股份有限公司开发了一种基于3D打印的干燥装置——层流空气干燥器（LAD），用于实现米级面积钙钛矿薄膜的快速、均匀干燥。LAD模拟了旋涂中的均匀对流干燥效果，同时适用于槽模涂布制备的0.79平方米基底。不同于真空闪蒸法在短时间内达到高速（峰值1200米/秒）后迅速衰减的气流，LAD可维持持续一致的层流，确保膜厚控制与结晶成核的均匀性。LAD干燥技术融合了旋涂和真空闪蒸的优势，使钙钛矿组件达到目前的记录效率。实地测试表明，在亚热带气候条件下，钙钛矿组件较硅组件拥有29%的更高能量产出，归因于其更低的温度系数。其首年衰减率低于2%，预计T90寿命可达9年，为单结钙钛矿太阳能电池的商业化奠定了基础。在经过优化的LAD结构支持下，该生产线在15天内生产了14,527块组件，平均功率输出为111.4瓦（效率14.1%），其中98.5%的组件效率波动控制在±2.5%范围内。最佳组件效率达到15%（7906 cm²面积下输出118瓦），部分组件通过了三项国际电工委员会（IEC）可靠性测试，验证了其工业应用前景。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001

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