Science重磅發(fā)布！3D打印助力解決鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)難題！

2025年5月，南極熊獲悉，來自杭州微導(dǎo)納米科技有限公司、浙江科技學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科研人員在Science上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，題目為3D laminar flow–assisted crystallization of perovskitesfor square meter–sized solar modules，展示了利用3D打印技術(shù)優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）大規(guī)模制造工藝的創(chuàng)新方法。研究人員通過設(shè)計并3D打印一種新型的層流空氣干燥器（LAD），成功解決了大面積鈣鈦礦薄膜均勻結(jié)晶的難題，推動了高效、穩(wěn)定的平方米級鈣鈦礦太陽能組件的商業(yè)化生產(chǎn)。



研究背景
鈣鈦礦太陽能電池因卓越的光電轉(zhuǎn)換效率、低廉的原材料成本以及相對簡易的制造工藝，被廣泛認(rèn)為是極具潛力的新一代光伏技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室級別的小面積鈣鈦礦太陽能電池效率已突破26%，且穩(wěn)定性持續(xù)提升。然而，將實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)面臨諸多挑戰(zhàn)，其中核心的難題之一在于如何在大面積基底上快速且均勻地制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜？


△(A-C) 鈣鈦礦薄膜形成過程中使用的工藝：狹縫涂布 (A)、層流空氣干燥 (LAD) (B) 和真空退火 (C)；(D) 鈣鈦礦太陽能組件（PSM）逐層結(jié)構(gòu)的截面示意圖，包括封裝層；(E) 鈣鈦礦太陽能組件（PSM）的正面照片；(F) 鈣鈦礦太陽能組件（PSM）的電路布局圖，顯示了接線盒和匯流條的位置；(G) 鈣鈦礦太陽能組件（PSM）的背面照片。

目前，實(shí)驗(yàn)室中常用的制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的方法是旋涂法結(jié)合反溶劑淬火工藝，但是旋涂法難以適用于大面積（如平方米級）基底的連續(xù)生產(chǎn)。針對大面積制備，工業(yè)界探索了包括氮?dú)獾陡稍锖驼婵臻W蒸在內(nèi)的多種氣流輔助干燥技術(shù)。氮?dú)獾短峁┑囊痪S氣流難以保證大面積薄膜干燥的均勻性，而真空閃蒸提供的二維氣流雖然均勻性較好，但其作用時間短暫，難以有效去除高沸點(diǎn)溶劑，且這些方法在超大面積（通常大于6500平方厘米）商業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用仍受限。


△鈣鈦礦薄膜的形成與太陽能電池性能

研究內(nèi)容：3D打印層流空氣干燥器（LAD）的創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用
為克服上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出并利用3D打印技術(shù)制造了一種“層流空氣干燥器”（Laminar Air Dryer, LAD），旨在模擬旋涂過程中的均勻?qū)α鞲稍锃h(huán)境，通過產(chǎn)生高度均勻的層流，促進(jìn)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的溶劑在整個薄膜表面快速、均一地?fù)]發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鈣鈦礦晶體的形成。


△三種LAD結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿真優(yōu)化

LAD結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

研究團(tuán)隊(duì)利用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬，對LAD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并3D打印了三種不同幾何構(gòu)型的模型進(jìn)行對比研究：

●LAD 1 (金字塔形): 底部為矩形開口，四壁為直角轉(zhuǎn)折并向上逐漸收窄。模擬與實(shí)驗(yàn)均表明，該結(jié)構(gòu)易在薄膜表面形成“X”形低氣流區(qū)域，導(dǎo)致干燥不均。

●LAD 3 (漏斗形): 底部為圓形開口，單壁呈弧形。模擬與實(shí)驗(yàn)顯示，該結(jié)構(gòu)易在薄膜中心區(qū)域形成氣流停滯區(qū)，影響中心區(qū)域的干燥效果。

●LAD 2 (波紋管形): 底部為矩形開口，四壁間采用圓角過渡，且向上收窄程度更大。CFD模擬顯示，此結(jié)構(gòu)能有效平衡直接氣流與循環(huán)氣流，在整個薄膜表面形成最均勻的氣流分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)，采用LAD 2干燥的薄膜顏色均勻、表面光潔、厚度均一性最佳。

最終，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的LAD 2被集成到狹縫涂布生產(chǎn)線中，用于后續(xù)的鈣鈦礦太陽能組件制造。

研究結(jié)果：LAD技術(shù)在鈣鈦礦太陽能組件制造中的顯著優(yōu)勢

●提升薄膜質(zhì)量與器件穩(wěn)定性
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析表明，與真空閃蒸法相比，LAD處理的鈣鈦礦薄膜中殘留溶劑（如DMF和DMSO）含量顯著降低，薄膜缺陷密度更低。在紫外光老化測試中，經(jīng)LAD處理的太陽能組件在老化1000小時后仍保持98.2%的初始功率，遠(yuǎn)高于真空閃蒸處理組件的70.7%。電致發(fā)光成像也顯示LAD處理的組件暗點(diǎn)數(shù)量更少，表明其具有更優(yōu)的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。

●增強(qiáng)工藝兼容性與靈活性
LAD的氣流強(qiáng)度和干燥時間均可調(diào)，能夠有效處理含有高沸點(diǎn)溶劑或復(fù)雜添加劑的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，展現(xiàn)了良好的工藝窗口和對不同鈣鈦礦配方的兼容性。

●實(shí)現(xiàn)平方米級組件的高效穩(wěn)定生產(chǎn)
研究團(tuán)隊(duì)將LAD技術(shù)與狹縫涂布技術(shù)相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了平方米級鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）的連續(xù)化、規(guī)�；�生產(chǎn)。在為期15天的中試生產(chǎn)中，共制造了14527塊鈣鈦礦太陽能組件，平均功率輸出達(dá)到111.4瓦（對應(yīng)效率14.1%），且98.5%的組件功率波動控制在平均值的±2.5%以內(nèi)，展現(xiàn)了優(yōu)異的生產(chǎn)一致性。其中，最大面積的組件達(dá)到7906平方厘米，認(rèn)證效率高達(dá)15.0%（功率118瓦），并成功通過了IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)中的熱循環(huán)、濕凍和濕熱三項(xiàng)關(guān)鍵可靠性測試，證明了其商業(yè)化潛力。


△本項(xiàng)目所用鈣鈦礦太陽能組件（PSM）在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下的工廠內(nèi)功率輸出數(shù)據(jù)、屋頂光伏（PV）系統(tǒng)以等效滿日照小時（EFSH）計的能量產(chǎn)出，以及組件性能概覽

●優(yōu)異的實(shí)際發(fā)電性能
為了評估LAD技術(shù)生產(chǎn)的鈣鈦礦太陽能組件在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)在中國衢州的一個屋頂分布式光伏系統(tǒng)中安裝了總計523.8千瓦峰值功率的鈣鈦礦組件，并與同一地點(diǎn)的硅基太陽能組件（總計4893千瓦峰值功率）進(jìn)行了為期一年的并行發(fā)電性能對比。結(jié)果顯示，在實(shí)際運(yùn)行條件下，單位裝機(jī)容量的鈣鈦礦太陽能組件年發(fā)電量比硅基太陽能組件高出29%。經(jīng)過一年運(yùn)行，該批鈣鈦礦組件的功率衰減率低于2%，初步估算的T90壽命（功率衰減至初始值90%的時間）可達(dá)9年。

研究展望與意義
研究使用3D打印技術(shù)制造關(guān)鍵工藝部件，成功解決了鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)中的核心技術(shù)瓶頸，為平方米級高效、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能組件的商業(yè)化生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的解決方案。LAD技術(shù)的引入，不僅顯著提升了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和器件的穩(wěn)定性，還展示了其在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)于傳統(tǒng)硅基太陽能的發(fā)電潛力。

3D打印在推動新興光伏技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，為鈣鈦礦太陽能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程注入了強(qiáng)勁動力。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的持續(xù)優(yōu)化，以LAD為代表的創(chuàng)新制造方法有望加速鈣鈦礦太陽能電池在全球清潔能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)重要力量。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001