隨著全球對可再生能源需求的激增，鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）因其高光電轉換效率和低成本制備潛力，成為光伏領域的研究熱點。然而，其產業化面臨的關鍵挑戰之一是串聯互連工藝中激光劃刻的精度與可靠性。激光劃刻直接決定了組件的幾何填充因子（GFF）、串聯電阻和長期穩定性。傳統的多激光源劃刻方案成本高昂，而納秒紫外激光（355 nm）因其短波長、低穿透深度和材料普適性，被視為實現單一激光源全工藝步驟劃刻的理想選擇。本研究采用單一納秒紫外激光器（355nm）實現PSM串聯互連中的所有劃刻步驟（P1-P3），并利用美能鈣鈦礦在線透過率測試機對關鍵功能層（如TCO、鈣鈦礦和金屬電極）進行原位光學性能檢測，確保劃刻工藝的穩定性和可重復性。

鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）制備

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串聯n-i-p型鈣鈦礦太陽能組件中P1-P2-P3劃刻工藝流程

基底處理：玻璃/ITO和玻璃/FTO基底依次用稀釋清潔劑、去離子水和異丙醇超聲清洗20分鐘，隨后UV-O?處理20分鐘。功能層沉積：

• SnO?電子傳輸層：商業SnO?納米顆粒懸浮液稀釋后旋涂（3000rpm，30s），150°C退火20分鐘。
• 鈣鈦礦光吸收層：三元陽離子溶液（Cs?.??FA?.??MA?.??PbI?.??Br?.??）采用兩步旋涂法（2000rpm→6000rpm），120°C退火20分鐘。
• 界面修飾層：PVK溶液旋涂（3000rpm，30s），70°C退火30分鐘。
• 空穴傳輸層：CuInS?墨水旋涂兩次（3000rpm，100°C退火），總厚度<100nm。
• 金屬電極：Au層（75nm）通過熱蒸發沉積。

P1-P2-P3 劃刻工藝參數

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串聯互連結構（以 n-i-p 型 PSM 為例）包含三個關鍵劃刻步驟：

• P1：透明導電層（TCO，如 ITO/FTO）劃刻，實現電學隔離；
• P2：去除電子傳輸層（ETL）/ 鈣鈦礦層（PSK）/ 空穴傳輸層（HTL），連接相鄰單元的 TCO 與背電極；
• P3：背電極（如 Au）劃刻，隔離相鄰單元。其核心工藝目標是在確保電性能的同時最小化死區面積。

P1劃刻工藝優化

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玻璃/ITO和玻璃/FTO樣品上劃刻條紋（P1）SEM圖像及輪廓（a-f為玻璃/ITO，m-r為玻璃/FTO）

• 玻璃/FTO基板（厚度>600 nm）：在重復頻率25-80 kHz、平均功率675 mW條件下，可獲得邊緣清晰、無明顯材料堆積的劃刻條紋。
• 玻璃/ITO基板（厚度約200 nm）：低頻（25 kHz）易導致激光能量集中，引起基板局部過熱和微裂紋。
• 柔性PEN/ITO基板：需將平均功率控制在633 mW以下，并配合機械清潔工藝使邊緣高度從8000 nm降至4000 nm。

P2劃刻工藝研究

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（a）到（f）在玻璃/ITO/SnO?結構上劃刻的鈣鈦礦層（P2）的SEM圖像

紫外激光選擇性優勢：355nm波長下，鈣鈦礦吸收遠高于TCO（如SnO?），可實現精準去除而不損傷底層。關鍵工藝參數影響：

• 頻率增加（25→150 kHz）可抑制ITO開裂，但會增大殘留顆粒
• 最優掃描速度為400 mm/s（≤200 mm/s易導致ITO過熱）
• 功率窗口為119-234 mW（≥285 mW會造成ITO嚴重損傷）

玻璃/ITO/SnO?/PSK/PVK/CuInS?結構在劃刻前后透射光譜

透射光譜驗證：功率150mW時，多次劃刻仍存在鈣鈦礦殘留；功率≥234mW時，ITO損傷加劇但殘留減少。最優窗口為150-234mW（80kHz,400mm/s）。

P3劃刻工藝優化

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不同參數下Au薄膜（P3）刻蝕的光學顯微鏡圖像

P3劃刻的目的是在背電極（如Au薄膜）上形成隔離條紋，以防止相鄰單元之間的短路。通過調整參數，可以在不損傷底層鈣鈦礦層的情況下，實現精確的背電極劃刻。實驗發現，Au電極分割的最佳工藝參數為：

• 重復頻率：100-150 kHz
• 平均功率：約100 mW 該參數組合可有效避免金屬層剝離和邊緣損傷。

納秒紫外激光（355nm）通過精確調控功率密度、頻率和掃描速度，成功實現鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）串聯互連的P1-P3劃刻。P1劃刻：FTO基底耐受性優于ITO，柔性PEN/ITO需優化邊緣清理。P2劃刻：紫外激光提供寬參數窗口（119-234mW），透射光譜快速驗證殘留。P3劃刻：高頻低功率避免金屬剝離，分割后效率穩定。

美能鈣鈦礦在線透過率測試機

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鈣鈦礦太陽能電池的在線透過率檢測設備是一種實時監測鈣鈦礦薄膜、透明氧化玻璃或組件光學透過率的系統，用于優化工藝、確保均勻性并提升電池效率。

• 精確度高：測量精度達到0.01%，能提供精確的透射比數據
• 穩定性好：測量穩定性＜0.1%，在重復測試10次中能夠提供穩定的數據，保證了測試結果的可靠性
• 高效率與自動化：大面積掃描（如0.6m×1.2m基板）可在秒級完成

結合美能鈣鈦礦在線透過率測試機的薄膜光學監測，可快速驗證P2劃刻中鈣鈦礦殘留并優化工藝，為低成本、高效率鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）的規模化生產提供了技術支撐。

原文參考：UV Laser Scribing for Perovskite Solar ModulesFabrication, Pros, and Cons

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