鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因高效率、低成本及制備靈活等優(yōu)勢(shì)被視為下一代光伏技術(shù)，但其商業(yè)化面臨放大制備的挑戰(zhàn)。將小面積電池串聯(lián)集成制備鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊（PSMs）是可行的放大路徑，其中關(guān)鍵步驟是通過(guò)P1、P2、P3激光刻劃實(shí)現(xiàn)子電池間的電學(xué)串聯(lián)，以減少互連損耗。鈣鈦礦P1激光劃線測(cè)試儀是一款專為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池P1激光劃線工序設(shè)計(jì)的高精度測(cè)試設(shè)備。設(shè)備可以通過(guò)探針與樣品直接接觸，測(cè)試其電阻等參數(shù)，精準(zhǔn)判斷P1劃線的優(yōu)劣情況。

本研究創(chuàng)新性地采用單一納秒紫外激光源（355 nm）完成全部三步刻劃，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化激光參數(shù)，顯著降低了模塊中的無(wú)效“死區(qū)”面積。在活性面積為4.0 cm2和10.8 cm2的倒置（p-i-n）結(jié)構(gòu)PSMs中，分別實(shí)現(xiàn)了99.3% 和98.8% 的極高幾何填充因子（GFF），其中4 cm2模塊的死區(qū)面積僅為0.7%。該工藝路線與工業(yè)制造兼容性強(qiáng)，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的大面積、低成本制造提供了重要技術(shù)參考。

實(shí)驗(yàn)方法

Millennial Solar

展示通過(guò)P1-P2-P3互連定義區(qū)域的鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊示意圖

各尺寸倒置PSC冠軍器件的J-V曲線；b 功率轉(zhuǎn)換效率隨活性面積變化的箱線圖；c 各尺寸倒置PSC冠軍器件的光伏性能參數(shù)表

研究采用經(jīng)典的倒置PSC結(jié)構(gòu)：Glass / FTO / PTAA / F-PEIA / 鈣鈦礦 / PCBM / BCP / Ag。模塊制備流程與單電池相似，關(guān)鍵區(qū)別在于集成了激光刻劃步驟：

P1：在沉積功能層前刻蝕FTO，定義子電池絕緣邊界。

P2：在沉積空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層及緩沖層后，去除這些材料以暴露出FTO，形成子電池間前后電極的低阻連接通道。

P3：在蒸鍍銀背電極后，去除銀及所有上層材料直至FTO，實(shí)現(xiàn)相鄰子電池的背電極隔離。

所有刻劃均使用同一臺(tái)納秒脈沖紫外激光設(shè)備，通過(guò)優(yōu)化激光通量、掃描速度與次數(shù)，在保證刻劃質(zhì)量的同時(shí)最小化對(duì)周邊功能層的熱損傷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Millennial Solar

a P2刻劃的SEM俯視圖；b EDX光譜瀑布圖

aP2刻劃內(nèi)部和外部的EDX光譜；bP2的SEM圖像及EDX元素分布圖；cP3刻劃內(nèi)部和外部的EDX光譜；dP3的SEM圖像及EDX元素分布圖

a TLM擬合圖；b 為T(mén)LM測(cè)試制備的樣品示意圖；c TLM分析測(cè)量參數(shù)匯總表

激光參數(shù)優(yōu)化：通過(guò)SEM、EDX分析確認(rèn)，在選定的激光通量下，P2能完全去除功能層而不損傷底層FTO；P3能徹底去除銀背電極。傳輸長(zhǎng)度法（TLM）測(cè)試表明，優(yōu)化后的P2區(qū)域接觸電阻較低，滿足高效電荷傳輸要求。

具有不同P2刻劃寬度及對(duì)應(yīng)GFF的倒置4 cm2 PSCs光伏性能參數(shù)箱線圖

具有不同P3刻劃寬度及對(duì)應(yīng)GFF的倒置4 cm2 PSCs光伏性能參數(shù)箱線圖

刻劃寬度影響：系統(tǒng)改變P2與P3刻劃寬度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二者均采用最小寬度（約45 μm）時(shí)，4 cm2模塊性能最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)最高PCE（13.22%）與FF（0.61）。增大刻劃寬度會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)電阻上升，性能下降，而旁路電阻基本不變，說(shuō)明激光刻劃主要影響串聯(lián)接觸質(zhì)量，不影響體材料與界面特性。

a 具有5個(gè)子電池的倒置PSM照片（尺子單位為厘米）；b 單個(gè)PSC與具有7個(gè)子電池的PSM的J-V曲線及光伏參數(shù)對(duì)比；c 9子電池倒置PSM的外量子效率光譜（黑線）與積分電流曲線（紅線）；d 新制備與老化（>1年）的10.8 cm2 PSC模塊的功率轉(zhuǎn)換效率分布

具有不同數(shù)量子電池的倒置10.8 cm2 PSM光伏參數(shù)箱線圖

模塊設(shè)計(jì)與性能權(quán)衡：對(duì)于10.8 cm2活性面積，考察了不同子電池?cái)?shù)量（5-9個(gè)）的模塊性能。結(jié)果表明，子電池?cái)?shù)量過(guò)少（如5個(gè)）會(huì)因單個(gè)子電池寬度較大、串聯(lián)電阻增加而導(dǎo)致效率下降；數(shù)量過(guò)多則會(huì)引入更多互連點(diǎn)，同樣增加串聯(lián)損耗。6-7個(gè)子電池的配置在效率與GFF（>98%）之間取得了最佳平衡。

工藝穩(wěn)定性：將制備的模塊在黑暗、惰性氣氛中存放一年后，平均效率衰減低于5%，證明了激光刻劃互連工藝具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

迄今為止發(fā)表的關(guān)于倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊的最相關(guān)工作概覽

本研究證明了使用單一納秒激光源實(shí)現(xiàn)連續(xù)P1-P2-P3互連的可行性。通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù)，倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊的死區(qū)面積顯著降低：4 cm2活性面積模塊為0.7%，10.8 cm2模塊為1.2%。這些模塊實(shí)現(xiàn)了極高的幾何填充因子（GFF）。在10.8 cm2模塊中，6或7子電池配置性能最佳，GFF高于98%。進(jìn)一步增加子電池?cái)?shù)會(huì)因串聯(lián)電阻增加導(dǎo)致性能略微下降。最終，互連寬度約134 μm的倒置PSMs在4 cm2（2子電池）和10.8 cm2（5子電池）模塊中分別實(shí)現(xiàn)了99.3%和98.8%的GFF。據(jù)作者所知，這是連續(xù)P1-P2-P3刻劃工藝報(bào)道的最高GFF值，標(biāo)志著該領(lǐng)域的重要進(jìn)展。

美能鈣鈦礦P1激光劃線測(cè)試儀

Millennial Solar

美能鈣鈦礦P1激光劃線測(cè)試儀是一款專為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池P1激光劃線工序設(shè)計(jì)的高精度測(cè)試設(shè)備。設(shè)備可以通過(guò)探針與樣品直接接觸，測(cè)試其電阻等參數(shù)，精準(zhǔn)判斷P1劃線的優(yōu)劣情況。

通斷測(cè)試功能：可進(jìn)行通斷測(cè)試，確保電池區(qū)域的清晰界定和電流泄漏的減少。

高效測(cè)試能力：整機(jī)TT小于60秒，顯著提高生產(chǎn)效率。

雙檢測(cè)組件設(shè)計(jì)：雙檢測(cè)組件，每個(gè)組件60根探針，間隔排布，方便增加補(bǔ)充功能（如高壓修復(fù)等）。

美能鈣鈦礦P1激光劃線測(cè)試儀通過(guò)探針接觸式電阻測(cè)量，精準(zhǔn)量化P1劃線的絕緣性能與加工質(zhì)量。本文研究證實(shí)，將P1線寬精確控制在~45μm是實(shí)現(xiàn)倒置鈣鈦礦模組超高幾何填充因子（99.3%）與最小化死區(qū)的關(guān)鍵前提。該設(shè)備可為這一核心工藝參數(shù)的監(jiān)控與優(yōu)化提供直接、定量的數(shù)據(jù)支持，確保大規(guī)模生產(chǎn)中激光刻劃工序的一致性與可靠性，是實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)所述高性能模塊不可或缺的質(zhì)量控制工具。

原文參考：Inverted perovskite solar modules with 99.3% geometrical fill factor via nanosecond single laser patterning

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