钙钛矿组件P1P2P3激光如何监控划刻质量来提升良率

最新推荐文章于 2025-12-23 09:47:07 发布

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#钙钛矿电池 #太阳能电池 #钙钛矿P1 #钙钛矿组件 #P1\P2\P3激光划线

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钙钛矿太阳能组件（PSMs）因其高效率和低制造成本成为光伏领域的研究热点，其商业化仍面临的关键挑战之一是串联互连工艺中激光划刻的精度与可靠性。激光划刻直接影响了组件的几何填充因子（GFF）、串联电阻和最终效率。其中紫外纳秒激光（355 nm）因其高材料吸收率和低热影响，适用于玻璃及柔性基板上P1、P2、P3全部划刻步骤。本文系统研究了激光参数对划刻质量的影响，并引入美能钙钛矿在线影像显微测试仪实现划刻形貌、残留和界面质量的实时监测与智能分析，显著提升了工艺控制的精确性和模块制备的良率，为PSMs的高精度规模化制造提供了有效解决方案。

钙钛矿太阳能组件（PSMs）样品制备

串联n-i-p型PSM中P1-P2-P3划刻工艺流程

清洗后的玻璃/ITO基底经UV-O₃处理，旋涂SnO₂电子传输层（150℃退火20分钟），随后沉积三元阳离子钙钛矿层，采用两步旋涂法并在退火前滴加氯苯诱导结晶。空穴传输层由PVK和CuInS₂纳米颗粒墨水组成，最后热蒸发沉积75 nm金属电极。

P1、P2、P3激光刻划信息

钙钛矿组件串联互联中P1–P2–P3划刻所需特性

本文采用纳秒紫外激光（355nm）对刚性及柔性 TCO 衬底、SnO₂/PSK/Spiro-OMeTAD/Au 结构的 P1、P2、P3 刻划步骤进行研究，分析了刻划参数变化对 P1、P2、P3 刻划条形貌与轮廓的影响。

P1划刻：TCO 刻划性能分析

玻璃基底反射产生的干涉条纹可能损伤TCO，降低功率可缓解该问题。

玻璃/ITO和玻璃/FTO样品上划刻条纹（P1）的SEM图像及轮廓（a-f为玻璃/ITO，m-r为玻璃/FTO）

(a-d) 不同Pₐᵥₑ值下玻璃/ITO单次与重复划刻的SEM图像；(e-h) 对应轮廓图；(i-m) PEN/ITO在不同Pₐᵥₑ下的SEM图像；(n-r) 机械清洁前轮廓图；(s-w) 机械清洁后轮廓图

玻璃/FTO基板（厚度>600 nm）：在重复频率25-80 kHz、平均功率675 mW条件下，可获得边缘清晰、无明显材料堆积的划刻条纹。

玻璃/ITO基板（厚度约200 nm）：低频（25 kHz）易导致激光能量集中，引起基板局部过热和微裂纹，边缘有轻微隆起（100-200 nm）。

柔性PEN/ITO基板：需将平均功率控制在633 mW以下，并配合机械清洁工艺使边缘高度从8000 nm降至4000 nm。

P2划刻：ETL/PSK/HTL 刻划性能分析

(a-f) 不同重复频率下P2单线划刻的SEM图像；(g-l) 对应轮廓图；(m-x) 宽度200 μm、光栅距离10 μm的P2条带在不同扫描次数下的SEM图像与轮廓图

（a）到（f）在玻璃/ITO/SnO₂结构上刻划的钙钛矿层（P2）的SEM图像

(a-f, m-r) 不同Pₐᵥₑ（47–406 mW）下P2划刻的SEM图像；(g-l) 对应轮廓图

紫外激光（355 nm）因钙钛矿层高吸收、TCO低吸收而具有高选择性，可实现精准去除而不损伤底层。CO₂红外激光（10 μm）需能量高4个数量级且易损伤FTO，而532 nm绿光激光效果较好但需与其他波长配合。在最佳参数（Pₐᵥₑ=119–189 mW, Fₚ=80 kHz, 速度=400 mm/s）下，P2划刻可完全去除功能层而不损伤ITO。

玻璃/ITO/SnO₂/PSK/PVK/CuInS₂结构在刻划前后的透射光谱

透射光谱显示功率150mW时，多次划刻仍存在钙钛矿残留；功率≥234mW时，ITO损伤加剧但残留减少，最优窗口为150-234mW（80kHz,400mm/s）。

P3划刻：Au 背电极刻划性能分析

不同参数下Au薄膜（P3）刻蚀的光学显微镜图像

金层（75 nm）划刻需避免边缘分层和底层钙钛矿损伤。频率100–150 kHz、功率约100 mW时可获得清晰绝缘沟道。分割电池的Iₛc、Vₒc、FF相对值验证了划刻有效性。

(a) 玻璃侧与 (b) 金侧的P1P2P3图案光学图像；(c) 单电池与串联互联双电池的J-V曲线

展示了完整P1-P2-P3图案和串联电池的J-V曲线，其Vₒc接近单电池两倍，证明互联成功。

纳秒紫外激光（355 nm）通过调节重复频率（如P2推荐80 kHz）、平均功率（P2建议119–189 mW）和扫描速度（如400 mm/s）精确控制热输入，以避免底层损伤、边缘熔融或材料残留，实现了钙钛矿太阳能组件串联互连的P1-P2-P3划刻，通过对划刻形貌和质量进行表征，该工艺在串联互联中表现出良好重复性，为钙钛矿组件产业化提供了可靠方案。

美能钙钛矿在线影像显微测试仪