摘要：在此，杭州纤纳光电有限公司姚冀众，颜步一和杨旸等人设计了一种方法，通过使用定制的3D打印结构，在平方尺级的钙钛矿薄膜上生成明确定义的3D层状气流，以辅助结晶过程。由此产生的面积为0.7906平方米的钙钛矿太阳能模块，其认证的光电转换效率为15.0%，并符合三套
将实验室规模的钙钛矿太阳能电池转化为大规模生产，需要实现钙钛矿薄膜的均匀结晶。
在此，杭州纤纳光电有限公司姚冀众，颜步一和杨旸等人设计了一种方法，通过使用定制的3D打印结构，在平方尺级的钙钛矿薄膜上生成明确定义的3D层状气流，以辅助结晶过程。由此产生的面积为0.7906平方米的钙钛矿太阳能模块，其认证的光电转换效率为15.0%，并符合三套太阳能电池标准。同时，对一个0.5兆瓦峰值功率的钙钛矿太阳能电站进行的为期1年的运行研究的指标表明，与同一设施中主要由于温度依赖的运行特性而导致的硅模块相比，每千瓦安装容量的能量产量高出29%。
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研究背景
钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光电转换效率（PCE）和稳定性方面取得了显著进展。实验室规模的设备现在已经超过26%的光电转换效率，并且在1倍光照和操作条件下，T90寿命（光电转换效率下降10%所需的时间）达到数百小时也是可实现的。最高效率的实验室规模PSCs使用旋涂和反溶剂淬火进行制造。这种方法确保了强大的、可控的层状气流，有助于湿膜的快速均匀干燥——这是一致成核和薄膜生长的关键步骤。这种理想的薄膜形成技术对于大规模制造是不切实际的，因此大规模生产高效稳定的钙钛矿太阳能模块（PSMs）仍然是一个关键挑战。
替代的沉积方法虽然被广泛实施，但它们也有自己的挑战。邓等人使用氮气空气刀干燥刀片涂覆的钙钛矿薄膜，并在63.7平方厘米的迷你模块上实现了16.4%的光电转换效率。然而，气流是一维（1D）单向模式，因此在大规模干燥薄膜时，基板的前缘和后缘之间存在时间差。这种效应可能导致在空气刀到达之前，后缘附近的钙钛矿薄膜自我干燥。真空闪光中的均匀二维气流可以缓解这个问题。丁等人在迷你模块上应用了真空闪光方法，并在27.2平方厘米上获得了稳定的23.0%光电转换效率。这种方法用真空泵送的前几毫秒内对流空气达到最大流速的峰值轮廓替换了旋涂的恒定对流流型，并在大约10秒后迅速衰减至零。然而，对流气流只能维持几秒钟，因此薄膜可能无法完全干燥，特别是如果它含有高沸点溶剂。
理论上，真空闪光可以提供均匀的二维流动，但通常无法快速干燥具有高沸点的大规模湿膜。此外，这些报告中的涂层面积远低于商业PSM的要求，通常大于6500平方厘米。一种规避快速均匀结晶真空的方法是采用干燥过程。这种干燥过程简化了钙钛矿薄膜的形成，但它们也限制了可以混合到钙钛矿前驱体中的添加剂的范围，其中许多对稳定性或效率至关重要。
主要内容
迫切需要开发一种钙钛矿干燥方法，将高效率、强大的可靠性和良好的可重复性的优点结合到1平方米规模的涂层中。形成均匀的大规模钙钛矿薄膜需要类似于旋涂和反溶剂淬火的精确过程。狭缝涂布非常适合在大规模制造中生产10至50微米的均匀湿膜。随后的干燥过程对于保持厚度均匀性以及启动均匀结晶的成核至关重要。在这项工作中，本文介绍了一种干燥方法——层状气流干燥器（LAD）。LAD模拟了旋涂的气流特性，并为钙钛矿薄膜的均匀干燥提供了精细控制的层状流动。之后，将薄膜转移到真空烘箱中进行退火。
计算流体动力学（CFD）模拟验证了LAD在调节空气速度和干燥持续时间方面的有效性。通过将这种方法纳入生产线，我们制造了光电转换效率最高认证的全面积为15.00%的PSMs。部署了一个523.8千瓦峰值（kWp）规模的屋顶PSM系统，其性能在运行1年后，在每千瓦安装容量的能量产量方面超过了一个4兆瓦峰值（MWp）的硅基系统29%，这由等效全日照小时数（EFSH）表示。这种优越的性能归因于温度、光照浸泡和功率输出之间的特定相互作用。此外，降解率分析证实，这些PSMs在其部署的第一年的稳定性与硅模块相当。
图1：PSM和LAD方法的一般过程。
图2：使用旋涂、LAD和真空闪蒸比较空气动力学和设备性能。
图3：三种不同LAD设计的仿真优化及实验结果。
图4：本项目使用的STC中PSM的工厂内电力输出数据概述。
图5：利用UP值分析户外运行条件下PSM和硅的温度特性。
图6：能量产出预测和稳定性分析。
结论展望
综上所述，本文证明了层流空气干燥器（LAD）干燥技术能够提供平衡稳定性和效率的钙钛矿模块。通过精确调节具有明确定义结构的LAD的气流速度和持续时间，结合了旋涂和真空闪光的优点。由此产生的最优模块达到了创纪录的15%全面积效率，并在1年内保持一致的性能。现场数据也证实了PSM的较小温度系数在亚热带地区转化为实际增益。根据现场数据，发现低温系数在亚热带气候中转化为实际收益，第一年的性能比硅高出29%。此外，老化分析显示第一年的降解率小于2%，结合加速的紫外线老化数据，估计T90寿命约为9年，这表明钙钛矿技术的商业化正在加速，这些结果为单结钙钛矿技术的商业化揭开了序幕。
文献信息
Buyi Yan*, Wanlei Dai, Zheng Wang, Zhiming Zhong, Lei Zhang, Mingqiang Yu, Qianjin Zhou, Qianling Ma, Kangrong Yan, Lu Zhang, Yang (Michael) Yang*, Jizhong Yao*,3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001
来源：MS杨站长