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在過去十年里，鈣鈦礦太陽能電池從實驗室突破 27% 效率，迅速逼近商用硅電池的性能上限。但當科研從小面積器件邁向大面積太陽能組件時，產業(yè)界遇到了一個難解的根本矛盾：傳統(tǒng)旋涂小面積薄膜可以在氮氣保護下長時間熱退火，慢慢長晶，但用于卷對卷印刷、噴涂等可規(guī)模化制備的大面積濕膜卻必須在空氣中處理。只要退火時間稍微延長，水和氧就會驅動鈣鈦礦降解、離子遷移、相分離，最終導致晶體塌陷和批次不一致。也就是說，工業(yè)化需要快，但鈣鈦礦偏偏“慢不得”，這成為阻礙組件走向大面積商業(yè)化的核心瓶頸之一。

在此，南昌大學陳義旺教授、胡笑添教授聯(lián)合廣安理工大學李鴻祥副研究員不僅通過原位 GIWAXS 找到了鈣鈦礦在空氣中熱處理的完整降解機制，還第一次量化了一個存在于空氣環(huán)境中的關鍵窗口：約 123 ± 18 秒的“無降解時間窗”。在這個時間內，水和氧尚未觸發(fā)降解反應。如果能在這個窗口里迅速完成晶體生長，就能真正實現(xiàn)“空氣下不降解的大面積退火”?；谶@一認識，團隊開發(fā)了能在 20 秒內完成高能量輸入的 455 nm 激光退火技術（LA），其輻照強度達到 20 W/cm2，比傳統(tǒng)熱板退火高出兩個數量級，從源頭上避免 6H 相積累并保持完整 3C 鈣鈦礦結構。最終，他們在 100 cm2 模組上獲得了 24.0%（剛性）與 20.7%（柔性）的認證效率，刷新了可規(guī)?；苽溻}鈦礦組件的記錄，實現(xiàn)了真正意義上的“空氣環(huán)境、高速、高性能”三者兼得。相關成果以“Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules”為題發(fā)表在《Science》上，Zhaoyang Chu和Baojin Fan為共同第一作者。

文章首先用原位 GIWAXS 明確記錄了傳統(tǒng)熱退火（TA）在空氣中造成的多階段降解過程。隨著溫度從室溫升至 100°C，鈣鈦礦薄膜依次經歷 δ-CsPbI?、2H、4H 與部分 6H 過渡，但在前 123 秒內尚未出現(xiàn) PbI? 的增長，這意味著水和氧的侵蝕反應尚未開始，即形成了短暫的“無降解窗口”。當時間進入第二階段，H?O 開始破壞表面 FAI 的化學鍵，促使 I? 脫離并伴隨 FA? 的揮發(fā)，導致 PbI? 在表面快速堆積；隨后進入第三階段，PbI? 形成保護層，使體系短暫穩(wěn)定；最終在第四階段，O? 與 PbI? 反應形成 Pb(IO?)?，進一步抽空 I? 并造成晶格塌陷。圖1中的時間演化曲線清晰呈現(xiàn)了各相的出現(xiàn)與衰減規(guī)律，也揭示了傳統(tǒng)退火之所以必然降解的物理本質：時間越長，降解越不可逆，而空氣環(huán)境下的大面積膜根本承受不起這樣的時間尺度。

圖1： 展示常規(guī)空氣熱退火的四階段降解過程，并確定約 123 秒的無降解窗口。

圖2展示了激光退火如何完全改變這一命運。由于激光能量密度高達 20 W/cm2，薄膜在極短時間內完成晶體轉化，6H 相僅出現(xiàn)極短的過渡然后迅速轉化為穩(wěn)定的 3C 相，與 TA 中 6H 相持續(xù)累積形成鮮明對比。GIWAXS 強度比值（3C:6H）在 LA 中迅速飆升至 6.5，而 TA 在無降解窗口內最高僅有 1.94，說明激光的瞬時高能量成功避免了多相混雜。GISAXS 也驗證了 LA 誘導的快速晶化形成更大、更均勻的晶粒。圖2C的示意圖幾乎用“快”與“慢”兩個箭頭就形象地說明了兩種退火方式的本質區(qū)別：傳統(tǒng)熱退火慢、均勻但容易降解，而激光退火快、局域但能在降解尚未發(fā)生前完成所有晶化過程。

圖2： 顯示激光退火如何避免 6H 相積累并快速形成高質量 3C 鈣鈦礦結構。

隨著進入結構與缺陷分析部分，文章進一步揭示了 LA 帶來的深層改善。首先，在 7.3 × 7.3 cm 的大面積膜上進行 100 點 Urbach 能量測量顯示 LA 薄膜具有更低、更均勻的 EU，表明缺陷與能量無序度更低。隨后 DLTS 測試揭示 TA 器件中存在兩個明顯深能級陷阱 D1 與 D2，而 LA 薄膜僅保留淺能級 D1，且深陷阱 D2 完全消失；TA 中 D2 的俘獲截面甚至是 LA 中 D1 的 100 倍，意味著 TA 在空氣退火過程中嚴重形成深層缺陷。進一步進行 PL、PLQY 與 TRPL 表征，其中 PLQY 從 TA 的 4.3% 提升到 LA 的 9.7%，載流子壽命從 0.83 μs 直接翻倍到 1.67 μs。這說明 LA 并非只加快晶化，而是在結構、缺陷和能級上實現(xiàn)了整體優(yōu)化，進一步解釋了為何大型組件也能獲得高效率。

圖3： 展示激光退火薄膜缺陷減少、深陷阱消失、晶體更均勻等關鍵提升

最后作者將激光退火的優(yōu)勢體現(xiàn)在最終器件性能中。1.57 eV 器件的 PCE 從 TA 的 24.0% 提升至 LA 的 26.2%，開路電壓從 1.17 V 提升至 1.20 V，填充因子從 80.6% 升至 85.8%，接近 Shockley–Queisser 極限的 89%。對模塊而言，激光退火同樣表現(xiàn)卓越：100 cm2 的剛性 PSM 獲得 24.0% 認證效率，柔性 PSM 獲得 20.7% 認證效率，并且這兩者均在空氣環(huán)境下直接完成退火。而在老化測試中，無論是 85°C/85%RH 的濕熱測試，還是在白光 LED 下的光熱穩(wěn)定性測試，LA 模組均比 TA 模組維持更長壽命：濕熱環(huán)境下 LA 保持 85% 初始效率持續(xù) 864 小時，而 TA 僅維持到 504 小時；在光照連續(xù) MPPT 條件下，LA 模組在 1800 小時后仍保持 95% 效率，而 TA 在 950 小時就降到同一水平。圖4全面展示了 LA 帶來的高效率、高一致性和高穩(wěn)定性，使其真正具備商業(yè)化組件的應用價值

圖4： 顯示器件與組件效率全面提升，并在光熱與濕熱條件下顯著增強穩(wěn)定性

小結

作者強調激光退火不僅解決了空氣環(huán)境下大面積鈣鈦礦的降解問題，還提供了一個可快速、高通量、可與卷對卷生產兼容的后處理策略。它讓高性能鈣鈦礦組件不再依賴氮氣手套箱和長時間熱處理，從而真正實現(xiàn)低成本大規(guī)模制備。這項技術能夠在空氣中完成晶化、抑制缺陷、避免多相結構、提升效率并延長壽命，整體上構成一條通往鈣鈦礦商業(yè)化的全新路徑。研究團隊認為，這項 LA 技術不僅適用于不同帶隙的鈣鈦礦體系，還能夠被無縫嵌入未來的高速卷對卷產線，為高效、穩(wěn)定、可大面積生產的鈣鈦礦太陽能組件奠定關鍵工藝基礎。