LAD技术实现高效稳定大面积钙钛矿组件量产与IEC认证

钙钛矿太阳能电池的实验室效率从3.8%跃升至26%以上，展现出惊人的发展速度。然而，



实验室中通过旋涂与反溶剂淬火工艺获得的高质量薄膜



，难以直接复制到平方米级的规模化生产中。如何在大面积基底上实现快速、均匀的结晶，同时兼顾高沸点溶剂和功能性添加剂的使用，成为钙钛矿光伏技术走向商业化的关键瓶颈。



美能大平台钙钛矿电池PL测试仪



通过



无接触式测试



，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的



缺陷分布信息




。

本研究开发了



3D层流辅助结晶(LAD)技术



，成功实现0.79平方米



钙钛矿组件的量产



，冠军效率



15.0%



，并



通过IEC认证



，在亚热带地区实际发电量比硅基组件高29%。

核心痛点：大面积成膜为何困难

Millennial Solar

不同干燥策略及LAD结构设计与气流


模拟

在实验室中，旋涂工艺通过



高速旋转产生均匀



的离心力场，形成稳定的



三维层流气流



，从而实现溶剂的快速均匀挥发，



获得高质量薄膜



。然而，这一方法无法扩展到大面积生产。当前主流的大面积工艺存在以下问题：

氮气风刀



：气流呈一维单向分布，基板前后端干燥时间不一致，易导致薄膜厚度不均。

真空闪蒸



：气流呈尖峰型，仅持续数秒便迅速衰减，难以彻底去除高沸点溶剂如DMF和DMSO。

干法沉积



：虽避免了溶剂问题，但无法使用功能性添加剂，限制了效率和稳定性的进一步提升。

因此，如何在保持工艺可扩展性的同时，实现均匀、彻底的干燥，成为大面积钙钛矿薄膜制备的核心挑战。

技术突破：层流干燥器的设计与优化

研究团队提出了一种创新思路：模仿旋涂工艺中的均匀层流环境，将其引入大面积干燥过程。为此，他们开发了



层流干燥器



，安装在狭缝涂布机之后，用于平方米级基板的干燥处理。

通过计算流体动力学模拟，团队对比了三种内部结构的设计：

金字塔形



：


中心


区域气流速度接近零，导致薄膜出现浑浊白色区域。

漏斗形



：边缘产生涡流，干燥图案不均匀。

风箱形



：全场气流分布均匀，无低速区或涡流，干燥效果最佳。

最终确定风箱形结构为最优设计，能够在



0.79平方米的基底上形成均匀、稳定的三维层流气流




。

完整的工艺流程为：



前驱液配制 → 狭缝涂布成膜 → 层流干燥器干燥 → 真空退火结晶 →


封装测试





。其中，层流干燥器负责去除大部分溶剂并诱导均匀成核，后续真空退火则完成晶粒的进一步完善。

实验验证：层流干燥器的有效性

Millennial Solar

不同干燥方法的空气动力学与溶剂去除效果比较

溶剂去除能力



：通过傅里叶变换


红外


光谱分析，真空闪蒸干燥后的薄膜中仍可检测到DMF和DMSO的残留特征峰，而层流干燥器处理的薄膜则几乎无溶剂残留，光谱与无溶剂基线高度一致。这说明



层流干燥器能够提供持续、恒定的气流



，确保溶剂在整个干燥过程中彻底挥发。

薄膜均匀性



：采用风箱形层流干燥器制备的薄膜颜色均匀、表面反光度高，厚度一致性良好；而其他结构则出现浑浊白色区域或不规则图案，与模拟中的低流速区吻合。

抗老化性能



：在60 kWh/m²的紫外加速老化测试中，层流干燥器处理的组件功率保持率为98.2%，而真空闪蒸组仅为70.7%。



电致发光成像



进一步显示，前者老化后暗斑稀少，后者则出现大量暗斑和互联暗区，表明薄膜发生严重降解。这一结果证实，彻底去除溶剂残留对提升组件长期稳定性至关重要。

量产数据：从实验室走向工厂

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三种不同层流干燥器结构的


仿真


优化与实验结果

在连续15天的生产过程中，团队共制造了14,527块组件，单块面积为0.7906平方米，平均输出功率为111.4 W，对应全面积效率14.1%。其中98.5%的组件功率波动在平均值±2.5%以内，展现出优异的生产一致性。冠军组件实现了15.0%的


认证


效率（118 W），并顺利通过IEC 61215、IEC 61730和IEC TS 63209-1三项国际


电工


委员会标准测试，具备商业化应用资格。

户外实证：0.5 MWp系统一年运行数据

钙钛矿太阳能组件性能与户外运行数据

为验证真实环境下的性能，团队在浙江省衢州市建设了一座0.5 MWp的钙钛矿光伏系统，并与同址的PERC硅基系统进行对比。该地区属亚热带季风气候，夏季高温可达40°C以上。

运行一年后的数据显示：

单位装机容量能量产出



：钙钛矿系统比硅基系统高出29%。

温度系数



：钙钛矿组件的温度系数优于硅组件，在高温条件下功率衰减更小，利用性能更高。

这一优势在夏季尤为明显，说明钙钛矿组件在



亚热带及热带地区具有显著的发电优势



。

在稳定性方面，钙钛矿组件第一年平均衰减率约为2%，略高于硅组件的0.5–1.5%。基于加速老化数据外推，其T90寿命约为9年。尽管与硅组件仍有差距，但已具备商业化应用的基础。

产业意义：钙钛矿商业化的里程碑

钙钛矿组件利用性能的温度系数与光致增益分析

发电量预测与稳定性分析

技术层面



：层流干燥器成功将



旋涂工艺中均匀对流干燥的机制移植到平方米级产线



，解决了大面积成膜不均的核心工艺瓶颈。同时，该技术能够兼容高沸点溶剂和复杂添加剂，为后续通过化学工程手段提升性能留出空间，这是真空闪蒸工艺难以实现的。

制造层面



：层流干燥器提供了一套



可复制、可扩展的标准解决方案



，使钙钛矿从“手工作坊式”研发转向工业化连续生产成为可能。万级组件量产数据、兆瓦级电站一年户外实证、三项IEC国际标准认证，构成了扎实的产业化验证体系。

市场层面



：在亚热带及热带地区，钙钛矿凭借温度系数优势，实际发电量显著优于硅组件。这为企业提供了明确的市场切入方向——不必在所有场景下与硅基正面竞争，而是优先占领高温气候市场。

设备投资方向



：未来应重点关注层流气流


控制系统


、溶剂回收与环保处理装置、在线质量监测系统（如



电致发光/光致发光成像、厚度检测



）以及智能化工艺控制软件的开发与集成。

产能演进路径



：短期（1–2年）优化现有产线，



将良率提升至99%以上



，成本降至0.3美元/瓦以下；中期（3–5年）扩大组件面积至1.5–2.0平方米，建设百兆瓦级产线；长期（5–10年）布局吉瓦级产能，与硅基形成互补竞争格局。

本研究的核心贡献在于提出并验证了一种专为



大面积钙钛矿薄膜量产设计的干燥工艺



。通过精密设计



LAD的三维内腔结构



，研究团队成功地将旋涂工艺的精准性与狭缝涂布的可扩展性融为一体——前者贡献了均匀层流干燥的成膜精度，后者提供了适应工业节拍的大面积连续涂布能力。效率记录的突破（



15% at 7906 cm²



）证明了LAD工艺在技术上的可行性；14,527块组件的量产验证（



98.5%良率



）则证明了其工程上的可重复性；三套IEC标准测试的全部通过，则为技术的工业化应用扫清了认证门槛。29%的实证发电增益并非来自某一单一因素，而是钙钛矿材料低温度系数特性在亚热带实际气候中的系统性体现——高温时功率损失更少，甚至（在未稳定状态下）功率随温升而增加，使得全年累计发电量的优势显著高于STC效率比较所隐含的预期。这一发现对于指导光伏系统设计和投资决策具有重要的实践意义。

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通过非接触、


高精度


、实时反馈等特性，系统性解决了



太阳能电池生产



中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合





AI




深度学习





，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：

采用线扫激光，成像精度



＜75um/


pi


x



（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：

同时清晰呈现



高亮区域（如无缺陷区）



与



低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：

检测速度





≤2s



，漏检率



< 0.1%



；误判率



< 0.3%

AI缺陷识别




分类训练：

实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪



采用



无接触式测试



方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，



精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布



。

原文参考：3D laminar flow–assis


te


d crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules