制备高效大面积钙钛矿太阳能电池：基于MPW技术的无掩膜激光工艺

有机-无机卤化物钙钛矿因可调带隙等优异光电特性，其太阳能电池（PSCs）实验室功率转换效率已从 3.8% 突破至 26% 以上，溶液法制备的钙钛矿光伏电池还具低成本、轻量化、可穿戴优势，成为新型电源重要方向；但商业化面临核心问题：现有制备方法缺陷明显，旋涂法墨水浪费超 90% 且难制大尺寸均匀膜，工业级涂布设备笨重，模块激光刻划成本高且易致薄膜降解，其他方案也受墨水或材料兼容性限制。

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；研究提出马克笔书写技术，通过调控墨水浓度等参数及利用马克笔纤维毛细管结构，实现钙钛矿薄膜精准制备，无需掩膜激光即可制得效率16.3%（刚性）、14.5%（柔性）的碳电极钙钛矿太阳能模块，还能多基板制备，为钙钛矿光伏的多场景应用提供了新思路。

MPW下钙钛矿薄膜的原理与优势

Millennial Solar

马克笔书写钙钛矿薄膜的原理与表征a) 马克笔结构及笔尖、储墨芯的SEM图像b) 薄膜书写过程与所得MAPbI₃薄膜的SEM图像c, d) 笔尖对钙钛矿胶体的均化与过滤作用e) 笔尖促进均匀成核示意图f) 书写过程中弯液面形成示意图g) 书写所得的均匀湿膜

本研究提出了一种名为“马克笔书写”的钙钛矿薄膜制备技术。马克笔由笔尖、储墨芯和笔壳组成，其纤维-毛细结构可自发吸附并均匀输送墨水，笔尖则起到胶体均化器的作用，能过滤掉团聚的大颗粒（>1000 nm），输出单分散性良好的约2.5 nm胶体颗粒。

书写过程中，笔尖与衬底接触产生剪切力，形成稳定的弯液面，通过控制书写速度（约80 mm/s）和压力（约1.5 N），可实现均匀的湿膜沉积。随后通过气体淬火（如N₂吹扫）去除低沸点溶剂（如2-甲氧基乙醇，2-ME），保留高沸点溶剂（如N-甲基吡咯烷酮，NMP）形成中间相，再经退火处理获得大晶粒、致密的钙钛矿薄膜。

大面积与图案化薄膜的制备

Millennial Solar

MPW技术的大面积与图案化能力a) 不同面积的手写薄膜b)130 cm²大面积手写薄膜c)5×5 cm²薄膜的PL映射图d) 通过墨水浓度调控薄膜厚度的SEM图像e) 在柔性衬底上书写的复杂图案f) 多种溶液法制备图案化薄膜的性能对比

MPW技术具备良好的图案化能力，通过调节笔尖宽度、墨水浓度、书写压力与速度，可实现薄膜厚度在200–1300 nm之间调控，面积可达100 cm²以上。光致发光（PL）映射图和紫外-可见吸收光谱显示，书写薄膜在大面积范围内具有良好的均匀性。

与传统涂布技术（如丝网印刷、喷涂、喷墨打印）相比，MPW无需掩膜或激光刻蚀，设备便携、操作简单，且对墨水性质适应性强，具备更高的实用性和可及性。

常温书写无需退火的钙钛矿薄膜

Millennial Solar

退火与未退火钙钛矿薄膜的结晶过程分析a) 不同溶剂体系的原位结晶过程光学显微镜图像b, c) 退火与未退火薄膜的时间分辨原位吸收光谱d) 未退火薄膜的FTIR光谱与XRD图谱e) 不同溶剂下的钙钛矿结晶路径示意图

为进一步提升实用性，研究者通过溶剂工程，将高沸点NMP替换为高蒸气压的四氢呋喃（THF），实现了在室温下仅通过气体淬火即可直接书写结晶钙钛矿薄膜，无需退火步骤。XRD和FTIR分析表明，使用2-ME/THF溶剂体系可避免PbI₂-NMP中间相的形成，直接获得纯相钙钛矿。尽管未退火薄膜的晶粒尺寸和载流子寿命略低于退火样品，但其表面平整、致密，适用于不耐高温的柔性衬底。

C-PSCs：效率与稳定性双优

Millennial Solar

碳电极钙钛矿太阳能电池的性能a) 低温处理C-PSC的截面SEM图b) 刚性与柔性退火C-PSC的冠军J-V曲线c) 退火C-PSC的EQE光谱及积分电流d) 室温处理C-PSC的截面SEM图e) 刚性与柔性未退火C-PSC的冠军J-V曲线f) 未退火C-PSC的EQE光谱及积分电流g) 柔性电池在弯曲测试中的效率衰减曲线h)电池的长期环境、热及运行稳定性

基于MPW技术，研究者构建了结构为ITO / SnO₂ / 钙钛矿 / P3HT / NiOₓ / 碳的刚性及柔性碳电极PSCs（C-PSCs）。在AM 1.5G光照下，刚性退火C-PSCs的最高PCE达20.4 %（Jₛc=23.33 mA/cm²，Vₒc=1.16 V，FF=75.4%），柔性电池也达到19.0 %，创下柔性C-PSCs的效率纪录。未退火电池的刚性与柔性PCE分别为18.0 %和16.4 %，优于多数已报道的无需退火的金属电极PSCs。

电池具有良好的重复性，20个独立电池的效率分布集中。柔性电池在弯曲测试中表现出良好的机械稳定性，退火电池在2000次弯曲后仍保持83.2%的初始效率。未封装电池在空气中存储1050小时后效率保持93.6%，在85℃热老化及最大功率点持续运行下也表现出优异的稳定性。

无激光刻划，多场景应用

Millennial Solar

钙钛矿太阳能模块的性能与实际应用演示a) C-PSM的制备流程与结构示意图b) 笔写薄膜间的最小间距（P2）c) 刚性与柔性C-PSM的冠军J-V曲线d) C-PSM作为电源驱动便携电子设备e) 柔性C-PSM为智能手环充电f) 柔性C-PSM的折叠、弯曲、扭曲特性及为手机充电演示g) 气球衬底上PSM在充/放气状态下为电子表供电h) 玻璃纸衬底上PSM的折叠状态及点亮LEDi) 仿生太阳能叶片模块在树荫及光照下的应用

MPW技术无需激光刻蚀即可直接书写条纹状子电池，实现了无掩膜、无激光的模块制备。4 cm×4 cm的刚性与柔性碳电极PSMs（C-PSMs）分别实现了16.3%和14.5%的模块效率，优于多数传统印刷技术制备的PSMs。未退火模块的PCE也达到11.7%（刚性）和11.0%（柔性）。

在实际应用中，MPW制备的C-PSMs可作为户外便携设备（如电子罗盘、温湿度计）的应急电源，也可作为智能手环等可穿戴设备的自供电系统。柔性模块具备优异的可折叠、弯曲和扭曲能力，可直接贴附于衣物或曲面。此外，研究者还在气球和玻璃纸上书写了无ITO、无退火的PSMs，展示了其在弹性衬底上的适用性。甚至成功制备出仿生太阳能叶片状的不规则模块，兼具美学与功能性。

本文证明，MPW技术能突破钙钛矿光伏的制备瓶颈：不仅实现薄膜厚度、面积、成分的精准调控，还能在大气环境下无退火书写，且无需激光和掩膜即可制备模块。其核心优势在于：低成本、易操作、可规模化、适配多基板。性能上，手写C-PSCs 效率达 20.4%（刚性退火）、19.0%（柔性退火），C-PSMs 效率达 16.3%（刚性）、14.5%（柔性），且稳定性优异；应用上，可驱动温湿度计、智能手环、手机等设备，还能制备仿生太阳能叶等不规则模块。这种技术有望推动钙钛矿光伏从实验室走向民用，拓展至应急电源、可穿戴电子、艺术化能源装置等更多场景。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

Millennial Solar

大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、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/pix（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：Marker pen writing of perovskite solar modules

*特别声明：「美能光伏」公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递光伏行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，若有侵权，请及时联系我司进行删除。