3D 打印層流干燥器助力鈣鈦礦太陽(yáng)能組件 “呼吸式” 生產(chǎn)

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）實(shí)驗(yàn)室效率超26%且穩(wěn)定性提升，但大規(guī)模生產(chǎn)面臨瓶頸。傳統(tǒng)旋涂法依賴層流氣流實(shí)現(xiàn)均勻干燥，卻不適用于大面積模塊；氮?dú)鈿獾陡稍锸芤痪S氣流影響導(dǎo)致薄膜干燥不均，真空閃蒸雖提供二維氣流卻因氣流持續(xù)時(shí)間短，難以干燥高沸點(diǎn)溶劑，且兩種技術(shù)均無(wú)法滿足商用大面積（>6500 cm²）生產(chǎn)需求，真空干燥還限制了添加劑使用，影響效率和穩(wěn)定性提升。   

為突破上述難題，浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院、青年教師王征博士、杭州纖納光電顏步一博士、浙江大學(xué)楊旸教授等合作開發(fā)了層流干燥器（LAD）技術(shù)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印定制LAD結(jié)構(gòu)，模擬旋涂工藝的均勻?qū)α鞲稍锾匦?，結(jié)合狹縫涂布技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了0.79 m²鈣鈦礦薄膜的快速均勻干燥。該方法解決了可壓縮泡沫墨水在大面積干燥中的溶劑殘留和厚度不均問(wèn)題，使組件兼具高轉(zhuǎn)換效率（冠軍組件15%）和穩(wěn)定性（通過(guò)三組IEC可靠性測(cè)試）。   

相關(guān)工作以“3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules”為題發(fā)表在《Science》上。

研究?jī)?nèi)容
1. 鈣鈦礦薄膜干燥方法對(duì)比與LAD氣流特性，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析，研究了旋涂、LAD干燥和真空閃蒸三種方法的氣流分布及溶劑殘留情況。結(jié)果表明，LAD實(shí)現(xiàn)了均勻穩(wěn)定的三維層流分布，真空閃蒸氣流呈“尖峰衰減”模式；LAD干燥的薄膜無(wú)N,N'-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）殘留（FTIR未檢測(cè)到C=O和S=O特征峰），而真空閃蒸薄膜殘留明顯溶劑信號(hào)，且紫外老化后功率保持率僅70.7%（LAD為98.2%）。      

圖2. 不同干燥方法的氣流分布、溶劑殘留及紫外老化性能對(duì)比。   

2. LAD結(jié)構(gòu)優(yōu)化與干燥效果驗(yàn)證，利用CFD模擬設(shè)計(jì)三種3D打印LAD結(jié)構(gòu)（金字塔形LAD1、波紋管形LAD2、漏斗形LAD3），研究其氣流分布與薄膜干燥均勻性。結(jié)果表明，LAD2通過(guò)平衡直接氣流與循環(huán)氣流，消除了LAD1的“X形干燥盲區(qū)”和LAD3的中心氣流真空區(qū)，干燥后的薄膜厚度均勻性最佳，呈 dark uniform reflective 狀態(tài)，而LAD1和LAD3分別出現(xiàn)“X形白霧”和“中心環(huán)形缺陷”。      

圖3. 三種LAD結(jié)構(gòu)的3D模型、氣流模擬及薄膜干燥效果。   

3. 大面積鈣鈦礦組件量產(chǎn)與性能評(píng)估，通過(guò)狹縫涂布-LAD干燥-真空退火生產(chǎn)線，制備了0.7906 m²鈣鈦礦太陽(yáng)能組件（PSMs），并進(jìn)行長(zhǎng)期戶外測(cè)試。結(jié)果表明，15天連續(xù)生產(chǎn)14,527塊組件，平均效率14.1%，冠軍組件效率15%（118 W），且98.5%組件性能波動(dòng)＜±2.5%；在0.5 MWp屋頂系統(tǒng)中，PSMs年能量產(chǎn)出比硅基組件高29%，首年衰減率＜2%，預(yù)計(jì)壽命達(dá)9年（T90）。      

圖4. 組件量產(chǎn)數(shù)據(jù)、戶外系統(tǒng)部署及能量產(chǎn)出對(duì)比。   

4. 溫度特性與穩(wěn)定性機(jī)制分析，通過(guò)戶外運(yùn)行數(shù)據(jù)和室內(nèi)加速老化測(cè)試，研究了PSMs的溫度系數(shù)（TKP）和紫外穩(wěn)定性。結(jié)果表明，PSMs在30-65°C時(shí)實(shí)際功率輸出（UP值）優(yōu)于硅基組件，低溫系數(shù)（TKP=-0.144%/°C）和光浸泡穩(wěn)定性使其在亞熱帶氣候中表現(xiàn)突出；60 kWh紫外老化后效率保持96.9%，驗(yàn)證了LAD干燥對(duì)薄膜穩(wěn)定性的提升作用。      

圖5. 不同溫度下PSM與硅基組件的功率輸出對(duì)比。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了層流干燥器（LAD）技術(shù)，將3D打印結(jié)構(gòu)與三維層流氣流結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了平方米級(jí)鈣鈦礦薄膜的均勻干燥。通過(guò)優(yōu)化LAD內(nèi)部流道設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)真空閃蒸氣流持續(xù)時(shí)間短、溶劑殘留多的問(wèn)題，使鈣鈦礦太陽(yáng)能組件（PSMs）兼具15%的全面積效率和優(yōu)異穩(wěn)定性（通過(guò)三組IEC可靠性測(cè)試）。戶外測(cè)試表明，在0.5 MWp系統(tǒng)中，PSMs年能量產(chǎn)出較硅基組件高29%，首年衰減率<2%，預(yù)計(jì)T90壽命達(dá)9年。研究發(fā)現(xiàn)，LAD的穩(wěn)定層流特性可完全去除高沸點(diǎn)溶劑，減少薄膜缺陷，其溫度系數(shù)優(yōu)勢(shì)（-0.144%/°C）使其在高溫環(huán)境下保持高效發(fā)電。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室效率向大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，為單結(jié)鈣鈦礦組件的商業(yè)化提供了關(guān)鍵工藝支撐。

文章來(lái)源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001