《Science》南昌大学陈义旺、胡笑添、四川大学李鸿祥：奈秒激光突破24.0%纪录 20s内完成大面积钙钛矿退火

2025-12-02 09:40:53 光焱科技股份有限公司

点击蓝字关注我们

光电领域学术导读：纳秒激光退火实现高效钙钛矿太阳能电池组件

研究背景与挑战

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在小面积器件上的光电转换效率（PCE）已超过27%，达到商业光伏技术水平。然而，实现这些高效率通常依赖于在惰性气氛下进行精确控制的长时间热退火（TA）。当器件尺寸从PSCs扩展至大型组件（PSMs）时，面临传输层覆盖不均、热传导不均匀以及维持大面积晶体质量均一性等挑战。

长时间退火虽能改善结晶质量，但也加剧了环境条件下（水汽H2O和氧气O2）的降解，导致组分挥发产生浅能级缺陷，以及离子迁移产生深能级缺陷，造成薄膜不均匀性。传统热退火工艺需要数十分钟甚至数小时，对于高通量连续制造而言过于耗时，且大型真空烘箱的资本成本过高。

这篇研究由南昌大学陈义旺、胡笑添和四川大学李鸿祥教授领导团队，并发表在《Science》期刊。研究团队为了解决高通量制造的挑战，开发了一种纳秒激光退火（LA）技术，能够在环境条件下快速进行钙钛矿薄膜的后处理。通过将激光退火（波长455纳米，辐照度20 W/cm²）与常规热退火（辐照度0.06 W/cm²）进行比较，LA提供了高出两个数量级的辐照度。这种高辐照度确保在环境条件下，仅需约20秒即可完成100平方厘米组件的退火。该策略有效防止了6H钙钛矿相的累积，最终使得100平方厘米硬质组件的认证PCE达到24.0%，柔性组件的PCE达到20.7%（图4E、F）。

准费米能级劈裂（QFLS）表征与载流子动力学解析

QFLS电压（VQFLS）代表了电子和空穴准费米能级之间的能量差，该参数直接描述了器件内部的电荷分离效率，是影响开路电压（VOC）的因素之一。在此研究中，QFLS被用来解析LA处理后器件VOC提升的根本原因。

QFLS测量方法与结果

LA与TA器件的QFLS数值基于光致发光量子效率（PLQY）计算所得（方法二）。计算公式依据PLQY、光生电流密度JG（近似于短路电流密度JSC）以及暗辐射复合饱和电流密度J0,rad。其中，J0,rad通过外部量子效率（EQE）和黑体辐射光子通量来计算。

QFLS数据： LA器件的QFLS达到1.21 eV，而TA器件的QFLS为1.17 eV（图4D）。

数据解析： LA器件的QFLS比TA器件高出0.04 eV，表明LA处理后的钙钛矿薄膜在载流子分离方面利用了更多能量，而非转化为热能损失。

辅助光电表征（PLQY、TRPL、DLTS）

研究团队结合多种光电检测方法，验证LA在抑制非辐射复合与缺陷方面的效果：

光致发光量子效率（PLQY）与载流子寿命（TRPL）： LA钙钛矿薄膜的PLQY达到9.7%，高于TA薄膜的4.3%（图S24）。

时间分辨光致发光（TRPL）测量显示，LA薄膜的有效载流子寿命（1.67 μs）长于TA薄膜（0.83 μs）（图S25）。这些结果佐证了LA有效减少了与陷阱相关的复合。

PL映射（PL Mapping）： LA钙钛矿薄膜的光致发光强度更高，且均匀性更好（图S23）。

深能级瞬态谱（DLTS）： DLTS分析揭示了LA对陷阱态的修正效果。TA器件中存在两种P型深能级陷阱（D1和D2，分别位于价带顶上方0.385 eV和0.528 eV），而LA器件仅存在单一D1陷阱（位于价带顶上方0.305 eV）（图3D、F）。

此外，D2陷阱在TA器件中的缺陷态密度高达1.85×10^17 cm^-3，而LA器件的D1陷阱捕获截面积（1.71×10^-17 cm^2）比TA器件D1陷阱的捕获截面积（32.8×10^-17 cm^2）小约30倍。DLTS结果证实，LA处理有效抑制了环境条件下TA工艺引入的额外深能级缺陷（图3E）。

QFLS在此研究中的作用

QFLS在此研究中扮演了量化非辐射复合损失的角色。较高的QFLS值直接解释了LA器件VOC的提升（从TA的1.17 V提升至LA的1.20 V）。LA器件的填充因子（FF）达到S-Q极限的89%，而TA器件为81%。图4C显示，LA器件FF的改善主要归因于非辐射复合损失的减少。QFLS数据与薄膜表征（如TRPL和DLTS）的结果高度一致，共同证明了LA工艺在提高钙钛矿晶体质量、减少缺陷和非辐射复合方面的优势。