南昌大学、广安理工学院，Science！

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。但当科研从小面积器件迈向大面积太阳能组件时，产业界遇到了一个难解的根本矛盾：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。

在此，南昌大学陈义旺教授、胡笑添教授联合广安理工学院李鸿祥副研究员不仅通过原位 GIWAXS 找到了钙钛矿在空气中热处理的完整降解机制，还第一次量化了一个存在于空气环境中的关键窗口：约 123 ± 18 秒的“无降解时间窗”。在这个时间内，水和氧尚未触发降解反应。如果能在这个窗口里迅速完成晶体生长，就能真正实现“空气下不降解的大面积退火”。基于这一认识，团队开发了能在 20 秒内完成高能量输入的 455 nm 激光退火技术（LA），其辐照强度达到 20 W/cm²，比传统热板退火高出两个数量级，从源头上避免 6H 相积累并保持完整 3C 钙钛矿结构。最终，他们在 100 cm² 模组上获得了 24.0%（刚性）与 20.7%（柔性）的认证效率，刷新了可规模化制备钙钛矿组件的记录，实现了真正意义上的“空气环境、高速、高性能”三者兼得。相关成果以“Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules”为题发表在《Science》上，Zhaoyang Chu和Baojin Fan为共同第一作者。

文章首先用原位 GIWAXS 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。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，即形成了短暂的“无降解窗口”。当时间进入第二阶段，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；随后进入第三阶段，PbI₂ 形成保护层，使体系短暂稳定；最终在第四阶段，O₂与PbI₂ 反应形成 Pb(IO₃)₂，进一步抽空 I⁻ 并造成晶格塌陷。图1中的时间演化曲线清晰呈现了各相的出现与衰减规律，也揭示了传统退火之所以必然降解的物理本质：时间越长，降解越不可逆，而空气环境下的大面积膜根本承受不起这样的时间尺度。

图1： 展示常规空气热退火的四阶段降解过程，并确定约 123 秒的无降解窗口。

图2展示了激光退火如何完全改变这一命运。由于激光能量密度高达 20 W/cm²，薄膜在极短时间内完成晶体转化，6H 相仅出现极短的过渡然后迅速转化为稳定的 3C 相，与 TA 中 6H 相持续累积形成鲜明对比。GIWAXS 强度比值（3C:6H）在 LA 中迅速飙升至 6.5，而 TA 在无降解窗口内最高仅有 1.94，说明激光的瞬时高能量成功避免了多相混杂。GISAXS 也验证了 LA 诱导的快速晶化形成更大、更均匀的晶粒。图2C的示意图几乎用“快”与“慢”两个箭头就形象地说明了两种退火方式的本质区别：传统热退火慢、均匀但容易降解，而激光退火快、局域但能在降解尚未发生前完成所有晶化过程。

 图2： 显示激光退火如何避免 6H 相积累并快速形成高质量 3C 钙钛矿结构。

随着进入结构与缺陷分析部分，文章进一步揭示了 LA 带来的深层改善。首先，在 7.3 × 7.3 cm 的大面积膜上进行 100 点 Urbach 能量测量显示 LA 薄膜具有更低、更均匀的 EU，表明缺陷与能量无序度更低。随后 DLTS 测试揭示 TA 器件中存在两个明显深能级陷阱 D1 与 D2，而 LA 薄膜仅保留浅能级 D1，且深陷阱 D2 完全消失；TA 中 D2 的俘获截面甚至是 LA 中 D1 的 100 倍，意味着 TA 在空气退火过程中严重形成深层缺陷。进一步进行 PL、PLQY 与 TRPL 表征，其中 PLQY 从 TA 的 4.3% 提升到 LA 的 9.7%，载流子寿命从 0.83 μs 直接翻倍到 1.67 μs。这说明 LA 并非只加快晶化，而是在结构、缺陷和能级上实现了整体优化，进一步解释了为何大型组件也能获得高效率。

图3： 展示激光退火薄膜缺陷减少、深陷阱消失、晶体更均匀等关键提升

最后作者将激光退火的优势体现在最终器件性能中。1.57 eV 器件的 PCE 从 TA 的 24.0% 提升至 LA 的 26.2%，开路电压从 1.17 V 提升至 1.20 V，填充因子从 80.6% 升至 85.8%，接近 Shockley–Queisser 极限的 89%。对模块而言，激光退火同样表现卓越：100 cm² 的刚性 PSM 获得 24.0% 认证效率，柔性 PSM 获得 20.7% 认证效率，并且这两者均在空气环境下直接完成退火。而在老化测试中，无论是 85°C/85%RH 的湿热测试，还是在白光 LED 下的光热稳定性测试，LA 模组均比 TA 模组维持更长寿命：湿热环境下 LA 保持 85% 初始效率持续 864 小时，而 TA 仅维持到 504 小时；在光照连续 MPPT 条件下，LA 模组在 1800 小时后仍保持 95% 效率，而 TA 在 950 小时就降到同一水平。图4全面展示了 LA 带来的高效率、高一致性和高稳定性，使其真正具备商业化组件的应用价值

图4： 显示器件与组件效率全面提升，并在光热与湿热条件下显著增强稳定性

作者强调激光退火不仅解决了空气环境下大面积钙钛矿的降解问题，还提供了一个可快速、高通量、可与卷对卷生产兼容的后处理策略。它让高性能钙钛矿组件不再依赖氮气手套箱和长时间热处理，从而真正实现低成本大规模制备。这项技术能够在空气中完成晶化、抑制缺陷、避免多相结构、提升效率并延长寿命，整体上构成一条通往钙钛矿商业化的全新路径。研究团队认为，这项 LA 技术不仅适用于不同带隙的钙钛矿体系，还能够被无缝嵌入未来的高速卷对卷产线，为高效、稳定、可大面积生产的钙钛矿太阳能组件奠定关键工艺基础。

来源：研之成理，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。