在激光划线处调控钙钛矿结晶动力学以实现高效且稳定的钙钛矿组件

为什么更好的太阳能电池需要更聪明的划线

钙钛矿太阳能电池有望带来更便宜、更轻的面板，其效率可与甚至超过当前的硅基器件。但当工程师尝试将它们从微小的测试电池扩展到实际的太阳能组件时，性能和寿命会急剧下降。本研究揭示了一个被忽视的元凶：用激光刻出的用于将多个小电池连接成单块大面板的细“划线”，并展示了如何通过调控这些划线周围的晶体生长来实现创纪录的效率和大幅改善的稳定性。

大型太阳能组件开始失效的地方

在实验室中，单个钙钛矿电池现在的光电转换效率已接近顶级硅器件。然而，当活性面积扩大到实用的组件尺寸时，效率下降且器件老化速度显著加快。研究人员比较了小型电池与面积达100平方厘米的组件，发现了一个明确的规律：微小器件相对稳定，而大尺寸组件在长期存放或光照下退化迅速。对老化组件的精细成像显示，失效几乎总是从用于划分和连接子电池的激光划线处开始，然后扩散到周围的光吸收薄膜中。

细激光切口中隐藏的问题

组件上有三种主要类型的激光划线，称为P1、P2和P3，每种切割不同的层。在P1处，激光在沉积任何钙钛矿之前去除了透明的前电极。团队发现这些沟槽产生粗糙、不均匀的凹陷，下面的传输层无法完全填平。当钙钛矿溶液随后在这种地形上干燥并结晶时，溶剂被困，晶体生长变慢且不均匀，并形成微观孔隙和富铅的团块。这些薄弱点在潮湿空气或光照下比划线之间的平坦区域退化得更快。

连接电池时的热损伤

P2和P3划线是在钙钛矿层就位后进行的，带来了另一类问题：强烈的局部加热。在P2处，为了切穿钙钛矿堆以暴露埋藏电极，成像显微镜显示出熔融飞溅、再凝固材料的边缘以及沿边缘的一层薄薄的受损层。化学映射显示该处的钙钛矿部分分解，失去有机组分，留下富铅和碘的残留物及氧化物。在P3处，为切割金属背电极需要更高的激光能量，周围层融为一体并更严重地分解，形成碘化银并阻碍高效的电荷抽取。这些热损伤共同成为长期退化的热点。

自下而上引导晶体生长

为了解决这些薄弱区域，研究人员并没有试图重新设计激光本身。相反，他们改变了整个组件中钙钛矿晶体的成形方式，包括在问题划线凹陷内的生长方式。他们在前驱溶液中加入少量一种名为BDECl的分子。这种添加剂首先在湿膜底部形成一层超薄的二维钙钛矿模板。在加热过程中，该模板像脚手架一样促使主要的三维钙钛矿有序且对齐地向上生长。随着薄膜固化，添加剂大部分被去除，但其印记以紧密堆积、取向良好的晶体表现出来，孔隙和缺陷显著减少。

创纪录的效率与更长的寿命

采用这种引导生长策略制备的组件表现出显著改进。一块25平方厘米的七电池组件达到了24.70%的效率，而一块100平方厘米的十电池组件达到了23.89%，经独立认证的数值为23.55%——这是该尺寸组别的记录。同样重要的是，在光照和环境空气中的稳定性测试显示，未封装的组件在数千小时后仍保持超过90%的原始性能，远优于传统设计。通过揭示微小激光划线如何悄然破坏大面积钙钛矿组件，并展示一种通过更聪明的结晶来强化这些区域的实用方法，这项工作使高效且寿命更长的钙钛矿太阳能面板更接近日常应用。

引用: Xie, Y., Fan, B., Li, H. et al. Regulating perovskite crystallization kinetics at laser scribe lines for efficient and stable perovskite modules. Nat Commun 17, 2977 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69685-6

关键词: 钙钛矿太阳能组件, 激光划线, 晶体生长, 太阳能稳定性, 添加剂工程