钙钛矿太阳能电池(PSCs)在实验室已实现超 26% 效率并提升稳定性,但规模化制造仍具挑战。高效器件依赖旋涂反溶剂淬火,其通过层流气流实现均匀干燥,却不适用于大面积组件。氮气流刀干燥等替代方法因一维(1D)气流导致膜干燥不均,真空闪蒸虽提供二维(2D)气流,却难以为高沸点溶剂维持足够干燥时间,两者均无法满足商用需求(>6500 cm²)。高真空下的干法沉积简化成膜,却限制添加剂使用,影响效率和稳定性提升。

为此,研究开发层流干燥器(LAD)这一 3D 打印模型干燥方法,可快速均匀干燥平方米级钙钛矿薄膜。LAD 模拟旋涂均匀对流干燥,兼容狭缝涂布的 0.79 m² 基板,解决大规模制膜关键难题。与真空闪蒸短暂气流尖峰(峰值 1200 m・s⁻¹ 并迅速衰减)不同,LAD 维持稳定层流,确保干燥均匀性,这对厚度控制和成核至关重要。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析显示,LAD 溶剂去除能力优异:真空闪蒸干燥膜残留 N,N′- 二甲基甲酰胺(DMF,C=O 峰位于 1653 cm⁻¹)和二甲基亚砜(DMSO,S=O 峰在 910~1080 cm⁻¹),而 LAD 干燥膜与无溶剂基线一致。此效率减少缺陷,经紫外(UV)老化的 LAD 组件保留 98.2% 初始功率,真空闪蒸组件仅为 70.7%,电致发光成像显示暗斑更少,证实膜稳定性增强。LAD 可调气流和延长干燥时间可适配高沸点溶剂和复杂前驱体配方,克服真空闪蒸局限。结合狭缝涂布可扩展性与旋涂精度,LAD 为高性能钙钛矿组件提供可重复解决方案。配备优化 LAD 结构的产线 15 天生产 14527 块组件,平均功率 111.4 W(效率 14.1%),98.5% 组件效率在平均值 ±2.5% 内,冠军组件效率达 15%(7906 cm² 下 118 W),部分组件通过三组国际电工委员会(IEC)可靠性测试,证实工业可行性。0.5 兆瓦峰值(MWp)光伏系统 1 年运行数据分析表明,钙钛矿单位装机容量发电量较硅组件高 29%,主要因其温度特性更优。

结论表明,LAD 干燥结合旋涂与真空闪蒸优势,实现钙钛矿组件创纪录效率。亚热带气候田间测试显示,因低温系数,其输出较硅高 29%。首年降解 < 2%,预计 T₉₀寿命 9 年,推动单结钙钛矿商业化进程。

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