钙钛矿/硅叠层电池技术新进展：低压化学气相沉积（LP-CVD）技术实现高效稳定

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率（单结>26%、钙钛矿/硅叠层>34%）和低成本潜力，成为光伏领域的研究焦点。但溶液法制备的钙钛矿薄膜在大面积规模化生产中面临均匀性差、稳定性不足等挑战。低压化学气相沉积（Low-Pressure CVD, LP-CVD）技术凭借其高可控性、材料利用率高（>60%）及优异的薄膜均匀性，成为实现工业化生产的理想路径。本文通过美能钙钛矿在线PL测试机对薄膜光致发光特性进行实时监控，结合AI深度学习优化工艺参数，系统研究CsBr与PbI₂沉积顺序对钙钛矿薄膜生长、离子迁移及电池性能的影响，开发了全真空工艺的高效半透明单结电池及钙钛矿/硅叠层电池，为规模化应用提供了新策略。

低压化学气相沉积（CVD）的制备与特性

钙钛矿薄膜的低压气相沉积过程示意图

• 制备工艺--采用两步LP-CVD法：

• 首先通过热蒸发沉积无机前驱体（CsBr/PbI₂），随后在低压腔室内进行甲脒碘化物（FAI）的气-固反应生成钙钛矿薄膜（Cs₁₋ₓFAₓPb(IₓBr₁₋ᵧ)₃）。
• 改变无机前驱体沉积顺序，制备两种样品：

• CsBr-first：基底结构为 ITO | NiOₓ | SAM | CsBr|PbI₂ ；
• PbI₂-first：基底结构为 ITO | NiOₓ | SAM | PbI₂ | CsBr 。

无机框架至钙钛矿的形貌演变

• 形貌与晶体演化：

CsBr-first样品中，PbI₂在30秒内完全转化为钙钛矿相，晶粒沿垂直方向快速生长，3分钟时形成致密双晶结构。PbI₂-first样品反应速率较慢，残留PbI₂至30秒，晶粒横向融合过程延长。XRD显示，CsBr-first样品早期出现δ-CsPb(I₁₋ₓBrₓ)₃中间相，而PbI₂-first样品生成CsPb₄I₈Br，最终均转化为α相钙钛矿。

钙钛矿成分与光致发光（PL）特性

• 成分分析

CsBr-first样品中Br⁻含量更高（I⁻/Br⁻强度比低），导致带隙展宽（1.60 eV vs 1.57 eV）； Cl⁻在界面富集，促进晶粒生长但未进入晶格。 退火影响：退火后（130°C, 1 h），两样品带隙进一步展宽，但CsBr-first仍保持更高Br⁻含量，表明离子交换不可逆。

• 光致发光（PL）特性：

气-固反应中钙钛矿的半原位光致发光（PL）

CsBr-first样品：PL峰在5-10秒红移至800 nm（FA⁺主导），随后蓝移至780 nm（Br⁻掺入）； PbI₂-first样品：PL峰在30-60秒发生类似蓝移，最终带隙更低（1.57 eV）。

钙钛矿薄膜的时间分辨共聚焦荧光显微镜图像(a) CsBr优先样品(b) PbI₂优先样品(c-d) 载流子寿命参数

载流子寿命：CsBr-first样品τₐᵥ₉=301.3 ns，非辐射复合较少；PbI₂-first样品τₐᵥ₉=242.7 ns，缺陷密度较高。

阳离子迁移对钙钛矿性能的影响

气-固反应中阳离子的迁移过程

• Cs⁺迁移路径：

初始分布：CsBr-first样品表面富Pb²⁺、底部富Cs⁺；PbI₂-first样品反之。反应过程：FA⁺扩散驱动Cs⁺迁移，10秒内Cs⁺从富集区向贫化区扩散，3分钟时垂直分布均匀。影响机制：沉积顺序决定迁移路径，但不影响最终均匀性；迁移速率差异导致晶格收缩和带隙变化。

• Br⁻与I⁻交换：

CsBr-first样品中，底层Br⁻更易进入晶格且难逃逸，形成高Br⁻含量钙钛矿；PbI₂-first样品Br⁻交换受限，I⁻占比更高，带隙更窄。

钙钛矿太阳能电池性能与稳定性

• 半透明单结电池（ST-PSCs）：

半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）的光伏性能

CsBr-first电池：效率18.7%（Jₛc=22.7 mA/cm²，Vₒc=1.06 V，FF=0.78），稳态输出功率（qSPO）达18.1%； PbI₂-first电池：效率17.1%（Jₛc=21.8 mA/cm²，Vₒc=1.05 V，FF=0.75），qSPO为16.9%。 稳定性：CsBr-first电池在200小时MPPT后保持94%效率，归因于真空沉积无溶剂残留及致密结构。

• 钙钛矿/硅叠层电池：

钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能

全真空工艺：顶部钙钛矿电池与底部TOPCon硅电池集成，效率达26.9%（Vₒc=1.71 V，Jₛc=20.2 mA/cm²，FF=0.78）； EQE响应：钙钛矿（300-800 nm）与硅（800-1200 nm）互补，总电流损失仅3.6 mA/cm²； 稳定性：200小时后效率保持80%，展示工业化潜力。本文深入探究钙钛矿低压化学气相沉积技术（CVD）在高效叠层太阳能电池中的应用潜力，通过PL实时监测钙钛矿薄膜光致发光特性，精准掌握薄膜生长动态与离子迁移规律。借助 AI 优化工艺参数，成功制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池及钙钛矿/硅叠层电池，验证了LP-CVD技术的产业化可行性，为钙钛矿光伏技术的发展提供有力支撑。

美能钙钛矿在线PL测试机

Millennial Solar

在线PL缺陷检测通过非接触、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＜50um/pix，（成像精度可定制）
• 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

本研究通过系统解析LP-CVD钙钛矿的晶体生长与离子迁移机制，为高性能、高稳定性电池的设计与制备提供了理论依据。结合美能钙钛矿在线PL测试机的高精度缺陷检测与AI工艺反馈，进一步优化大面积薄膜均匀性，推动钙钛矿光伏技术从实验室迈向产业化。

原文参考：Low Pressure Chemical Vapor Deposited Perovskite Enables all Vacuum-Processed Monolithic Perovskite-Silicon TandemSolar Cells

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