Science重磅发布！3D打印助力解决钙钛矿太阳能电池量产难题！

2025年5月，南极熊获悉，来自杭州微导纳米科技有限公司、浙江科技学院土木工程与建筑学院、浙江大学光电科学与工程学院等机构的科研人员在Science上发表了一项突破性研究，题目为3D laminar flow–assisted crystallization of perovskitesfor square meter–sized solar modules，展示了利用3D打印技术优化钙钛矿太阳能电池（PSCs）大规模制造工艺的创新方法。研究人员通过设计并3D打印一种新型的层流空气干燥器（LAD），成功解决了大面积钙钛矿薄膜均匀结晶的难题，推动了高效、稳定的平方米级钙钛矿太阳能组件的商业化生产。



研究背景
钙钛矿太阳能电池因卓越的光电转换效率、低廉的原材料成本以及相对简易的制造工艺，被广泛认为是极具潜力的新一代光伏技术。实验室级别的小面积钙钛矿太阳能电池效率已突破26%，且稳定性持续提升。然而，将实验室成果转化为大规模工业生产面临诸多挑战，其中核心的难题之一在于如何在大面积基底上快速且均匀地制备高质量的钙钛矿薄膜？


△(A-C) 钙钛矿薄膜形成过程中使用的工艺：狭缝涂布 (A)、层流空气干燥 (LAD) (B) 和真空退火 (C)；(D) 钙钛矿太阳能组件（PSM）逐层结构的截面示意图，包括封装层；(E) 钙钛矿太阳能组件（PSM）的正面照片；(F) 钙钛矿太阳能组件（PSM）的电路布局图，显示了接线盒和汇流条的位置；(G) 钙钛矿太阳能组件（PSM）的背面照片。

目前，实验室中常用的制备高质量钙钛矿薄膜的方法是旋涂法结合反溶剂淬火工艺，但是旋涂法难以适用于大面积（如平方米级）基底的连续生产。针对大面积制备，工业界探索了包括氮气刀干燥和真空闪蒸在内的多种气流辅助干燥技术。氮气刀提供的一维气流难以保证大面积薄膜干燥的均匀性，而真空闪蒸提供的二维气流虽然均匀性较好，但其作用时间短暂，难以有效去除高沸点溶剂，且这些方法在超大面积（通常大于6500平方厘米）商业化生产中的应用仍受限。


△钙钛矿薄膜的形成与太阳能电池性能

研究内容：3D打印层流空气干燥器（LAD）的创新设计与应用
为克服上述挑战，研究团队创新性地提出并利用3D打印技术制造了一种“层流空气干燥器”（Laminar Air Dryer, LAD），旨在模拟旋涂过程中的均匀对流干燥环境，通过产生高度均匀的层流，促进钙钛矿前驱体溶液中的溶剂在整个薄膜表面快速、均一地挥发，从而实现高质量钙钛矿晶体的形成。


△三种LAD结构设计的仿真优化

LAD结构优化：

研究团队利用计算流体动力学（CFD）模拟，对LAD的内部结构进行了优化设计，并3D打印了三种不同几何构型的模型进行对比研究：

●LAD 1 (金字塔形): 底部为矩形开口，四壁为直角转折并向上逐渐收窄。模拟与实验均表明，该结构易在薄膜表面形成“X”形低气流区域，导致干燥不均。

●LAD 3 (漏斗形): 底部为圆形开口，单壁呈弧形。模拟与实验显示，该结构易在薄膜中心区域形成气流停滞区，影响中心区域的干燥效果。

●LAD 2 (波纹管形): 底部为矩形开口，四壁间采用圆角过渡，且向上收窄程度更大。CFD模拟显示，此结构能有效平衡直接气流与循环气流，在整个薄膜表面形成最均匀的气流分布。实验结果也证实，采用LAD 2干燥的薄膜颜色均匀、表面光洁、厚度均一性最佳。

最终，经过结构优化的LAD 2被集成到狭缝涂布生产线中，用于后续的钙钛矿太阳能组件制造。

研究结果：LAD技术在钙钛矿太阳能组件制造中的显著优势

●提升薄膜质量与器件稳定性
傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，与真空闪蒸法相比，LAD处理的钙钛矿薄膜中残留溶剂（如DMF和DMSO）含量显著降低，薄膜缺陷密度更低。在紫外光老化测试中，经LAD处理的太阳能组件在老化1000小时后仍保持98.2%的初始功率，远高于真空闪蒸处理组件的70.7%。电致发光成像也显示LAD处理的组件暗点数量更少，表明其具有更优的长期运行稳定性。

●增强工艺兼容性与灵活性
LAD的气流强度和干燥时间均可调，能够有效处理含有高沸点溶剂或复杂添加剂的钙钛矿前驱体溶液，展现了良好的工艺窗口和对不同钙钛矿配方的兼容性。

●实现平方米级组件的高效稳定生产
研究团队将LAD技术与狭缝涂布技术相结合，成功实现了平方米级钙钛矿太阳能组件（PSMs）的连续化、规模化生产。在为期15天的中试生产中，共制造了14527块钙钛矿太阳能组件，平均功率输出达到111.4瓦（对应效率14.1%），且98.5%的组件功率波动控制在平均值的±2.5%以内，展现了优异的生产一致性。其中，最大面积的组件达到7906平方厘米，认证效率高达15.0%（功率118瓦），并成功通过了IEC 61215标准中的热循环、湿冻和湿热三项关键可靠性测试，证明了其商业化潜力。


△本项目所用钙钛矿太阳能组件（PSM）在标准测试条件（STC）下的工厂内功率输出数据、屋顶光伏（PV）系统以等效满日照小时（EFSH）计的能量产出，以及组件性能概览

●优异的实际发电性能
为了评估LAD技术生产的钙钛矿太阳能组件在实际应用中的表现，研究团队在中国衢州的一个屋顶分布式光伏系统中安装了总计523.8千瓦峰值功率的钙钛矿组件，并与同一地点的硅基太阳能组件（总计4893千瓦峰值功率）进行了为期一年的并行发电性能对比。结果显示，在实际运行条件下，单位装机容量的钙钛矿太阳能组件年发电量比硅基太阳能组件高出29%。经过一年运行，该批钙钛矿组件的功率衰减率低于2%，初步估算的T90寿命（功率衰减至初始值90%的时间）可达9年。

研究展望与意义
研究使用3D打印技术制造关键工艺部件，成功解决了钙钛矿太阳能电池大规模生产中的核心技术瓶颈，为平方米级高效、稳定钙钛矿太阳能组件的商业化生产提供了切实可行的解决方案。LAD技术的引入，不仅显著提升了钙钛矿薄膜的质量和器件的稳定性，还展示了其在实际应用中优于传统硅基太阳能的发电潜力。

3D打印在推动新兴光伏技术发展中发挥了重要作用，为钙钛矿太阳能技术的产业化进程注入了强劲动力。随着技术的进一步成熟和成本的持续优化，以LAD为代表的创新制造方法有望加速钙钛矿太阳能电池在全球清洁能源领域的广泛应用，为实现碳中和目标贡献重要力量。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001