3D 打印层流干燥器助力钙钛矿太阳能组件 “呼吸式” 生产

来源：EFL生物3D打印与生物制造

钙钛矿太阳能电池（PSCs）实验室效率超26%且稳定性提升，但大规模生产面临瓶颈。传统旋涂法依赖层流气流实现均匀干燥，却不适用于大面积模块；氮气气刀干燥受一维气流影响导致薄膜干燥不均，真空闪蒸虽提供二维气流却因气流持续时间短，难以干燥高沸点溶剂，且两种技术均无法满足商用大面积（>6500 cm²）生产需求，真空干燥还限制了添加剂使用，影响效率和稳定性提升。   

为突破上述难题，浙江理工大学建筑工程学院、青年教师王征博士、杭州纤纳光电颜步一博士、浙江大学杨旸教授等合作开发了层流干燥器（LAD）技术。团队通过3D打印定制LAD结构，模拟旋涂工艺的均匀对流干燥特性，结合狭缝涂布技术，实现了0.79 m²钙钛矿薄膜的快速均匀干燥。该方法解决了可压缩泡沫墨水在大面积干燥中的溶剂残留和厚度不均问题，使组件兼具高转换效率（冠军组件15%）和稳定性（通过三组IEC可靠性测试）。   

相关工作以“3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules”为题发表在《Science》上。

研究内容
1. 钙钛矿薄膜干燥方法对比与LAD气流特性，通过计算流体动力学（CFD）模拟和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究了旋涂、LAD干燥和真空闪蒸三种方法的气流分布及溶剂残留情况。结果表明，LAD实现了均匀稳定的三维层流分布，真空闪蒸气流呈“尖峰衰减”模式；LAD干燥的薄膜无N,N'-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）残留（FTIR未检测到C=O和S=O特征峰），而真空闪蒸薄膜残留明显溶剂信号，且紫外老化后功率保持率仅70.7%（LAD为98.2%）。      

图2. 不同干燥方法的气流分布、溶剂残留及紫外老化性能对比。   

2. LAD结构优化与干燥效果验证，利用CFD模拟设计三种3D打印LAD结构（金字塔形LAD1、波纹管形LAD2、漏斗形LAD3），研究其气流分布与薄膜干燥均匀性。结果表明，LAD2通过平衡直接气流与循环气流，消除了LAD1的“X形干燥盲区”和LAD3的中心气流真空区，干燥后的薄膜厚度均匀性最佳，呈 dark uniform reflective 状态，而LAD1和LAD3分别出现“X形白雾”和“中心环形缺陷”。      

图3. 三种LAD结构的3D模型、气流模拟及薄膜干燥效果。   

3. 大面积钙钛矿组件量产与性能评估，通过狭缝涂布-LAD干燥-真空退火生产线，制备了0.7906 m²钙钛矿太阳能组件（PSMs），并进行长期户外测试。结果表明，15天连续生产14,527块组件，平均效率14.1%，冠军组件效率15%（118 W），且98.5%组件性能波动＜±2.5%；在0.5 MWp屋顶系统中，PSMs年能量产出比硅基组件高29%，首年衰减率＜2%，预计寿命达9年（T90）。      

图4. 组件量产数据、户外系统部署及能量产出对比。   

4. 温度特性与稳定性机制分析，通过户外运行数据和室内加速老化测试，研究了PSMs的温度系数（TKP）和紫外稳定性。结果表明，PSMs在30-65°C时实际功率输出（UP值）优于硅基组件，低温系数（TKP=-0.144%/°C）和光浸泡稳定性使其在亚热带气候中表现突出；60 kWh紫外老化后效率保持96.9%，验证了LAD干燥对薄膜稳定性的提升作用。      

图5. 不同温度下PSM与硅基组件的功率输出对比。

研究结论
本研究开发了层流干燥器（LAD）技术，将3D打印结构与三维层流气流结合，实现了平方米级钙钛矿薄膜的均匀干燥。通过优化LAD内部流道设计，解决了传统真空闪蒸气流持续时间短、溶剂残留多的问题，使钙钛矿太阳能组件（PSMs）兼具15%的全面积效率和优异稳定性（通过三组IEC可靠性测试）。户外测试表明，在0.5 MWp系统中，PSMs年能量产出较硅基组件高29%，首年衰减率<2%，预计T90寿命达9年。研究发现，LAD的稳定层流特性可完全去除高沸点溶剂，减少薄膜缺陷，其温度系数优势（-0.144%/°C）使其在高温环境下保持高效发电。该技术实现了实验室效率向大规模生产的转化，为单结钙钛矿组件的商业化提供了关键工艺支撑。

文章来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001