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Science突破：激光退火让钙钛矿组件在空气下快速无降解

南昌大学团队在Science发表激光退火技术，实现空气环境下钙钛矿组件快速无降解制备，刷新大面积效率纪录。

近日，南昌大学化学化工学院陈义旺教授、胡笑添教授团队在新型薄膜太阳能电池领域取得重要突破，研究成果以《Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules》发表在《Science》。团队提出并实现了可在空气环境下进行的激光退火（Laser Annealing, LA）工艺，为钙钛矿光伏材料的大规模、低成本与高稳定性制备提供了关键技术路径。

要点速览

  • 空气环境下发现约 123 ± 18 秒的“无降解窗口”，揭示传统热退火四阶段降解机理。
  • 开发 455 nm 高功率蓝光激光退火，能量密度约 20 W/cm²，20 秒内完成快速结晶，避免水氧侵蚀。
  • 100 cm² 组件认证效率：刚性 24.0%，柔性 20.7%，实现大面积制备的高效率与一致性。
  • 器件端性能提升：1.57 eV 器件 PCE 从 24.0% 提升至 26.2%，FF 至 85.8%，接近 SQ 极限。

背景与瓶颈

  • 钙钛矿电池在过去十年效率逼近硅电池上限，但从小面积器件走向大面积组件面临工艺约束。
  • 传统旋涂/热板退火需在惰性气氛下长时间处理；大面积卷对卷、喷涂湿膜在空气中处理易受水氧影响导致降解、相分离与批次不一致。

钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率和可溶液加工特性，被视为最具潜力的新一代光伏技术。在过去十年里，钙钛矿太阳能电池从实验室突破27%效率，迅速逼近商用硅电池的性能上限。 然而，当科研从小面积器件迈向大面积太阳能组件时，产业界遇到了一个根本性矛盾：传统旋涂小面积薄膜可以在氮气保护下长时间热退火，慢慢长晶，但用于卷对卷印刷、喷涂等可规模化制备的大面积湿膜却必须在空气中处理。只要退火时间稍微延长，水和氧就会驱动钙钛矿降解、离子迁移、相分离，最终导致晶体塌陷和批次不一致。 也就是说，工业化需要快，但钙钛矿偏偏"慢不得"，这成为阻碍组件走向大面积商业化的核心瓶颈之一。

关键科学发现：123 秒无降解窗口

研究团队通过原位同步辐射表征，首次揭示了钙钛矿薄膜在空气中热处理的"四阶段降解机理"，并发现了一个约123±18秒的"环境无降解窗口"。

通过原位GIWAXS（掠入射广角X射线散射）技术，团队明确记录了传统热退火（TA）在空气中造成的多阶段降解过程：

  1. 第一阶段 ：随着温度从室温升至100°C，钙钛矿薄膜依次经历δ-CsPbI₃、2H、4H与部分6H过渡，但在前123秒内尚未出现PbI₂的增长，这意味着水和氧的侵蚀反应尚未开始，形成了短暂的"无降解窗口"。
  2. 第二阶段 ：H₂O开始破坏表面FAI的化学键，促使I⁻脱离并伴随FA⁺的挥发，导致PbI₂在表面快速堆积。
  3. 第三阶段 ：PbI₂形成保护层，使体系短暂稳定。
  4. 第四阶段 ：O₂与PbI₂反应形成Pb(IO₃)₂，进一步抽空I⁻并造成晶格塌陷。

激光退火工艺与机理

  • 采用 455 nm 高能量密度激光，实现瞬时高能量输入，使结晶在“窗口”内快速完成。
  • GIWAXS 强度比（3C:6H）在 LA 中迅速提升至约 6.5；传统热退火在窗口内最高约 1.94，LA 有效避免多相混杂与 6H 相积累，保持稳定 3C 结构。
  • GISAXS 与形貌分析显示 LA 诱导更大且更均匀的晶粒，缺陷更低、能级更洁净。

器件与组件性能

  • 器件端：
    • 1.57 eV 器件 PCE：TA 24.0% → LA 26.2%；
    • 开路电压 VOC：约 1.17 V → 1.20 V；
    • 填充因子 FF：约 80.6% → 85.8%，逼近 SQ 极限（约 89%）。
  • 组件端：
    • 100 cm² 刚性钙钛矿模块认证效率 24.0%；
    • 柔性模块认证效率 20.7%；
    • 大面积膜的 PL/PLQY/TRPL 显示非辐射复合降低，载流子寿命由 ~0.83 μs 翻倍至 ~1.67 μs。

缺陷与能级优化

  • Urbach 能量（EU）测量显示 LA 膜 EU 更低且空间分布更均匀。
  • DLTS 表明：TA 器件存在深能级陷阱 D2；LA 仅保留浅能级 D1，深陷阱 D2 消失。TA 中 D2 的俘获截面约为 LA 中 D1 的百倍级。

产业化意义

  • 打破惰性环境依赖：在空气中实现高质量结晶，显著降低设备与运行成本。
  • 高通量与低能耗：退火由“分钟级”缩短到“秒级”，适配卷对卷与喷涂生产线。
  • 提升一致性与可靠性：避免多相混杂与时间尺度导致的不可逆降解，利于规模化良率与寿命。

团队与支持

  • 牵头单位：南昌大学；合作单位包括赣南师范大学、江西师范大学、广安理工学院、北京大学长三角光电科学研究院等。
  • 共同第一作者：褚昭阳、范宝锦；共同通讯作者：陈义旺、胡笑添、李鸿祥。
  • 资助支持：国家重点研发计划、国家自然科学基金、江西省自然科学基金等。

论文与来源

  • 论文 DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9650
  • 南昌大学化学化工学院新闻稿：https://chem.ncu.edu.cn/xwgg/0674787666134f129ad19fdd9e995177.htm
  • 知乎专栏解读：https://zhuanlan.zhihu.com/p/1977691157917090598
  • 大突破！柔性钙钛矿太阳能电池26.22%！南昌大学陈义旺&胡笑添&上交大颜徐州Nature大子刊！https://news.solarbe.com/202512/04/50013957.html