当前位置：首页>南昌>南昌大学胡笑添&江西师范大学陈义旺&华南理工大学薛启帆Joule:通过原位缺陷检测与精准修复实现高效稳定的印刷柔性钙钛矿光伏器件

南昌大学胡笑添&江西师范大学陈义旺&华南理工大学薛启帆Joule:通过原位缺陷检测与精准修复实现高效稳定的印刷柔性钙钛矿光伏器件

2026-04-21 16:45:42

结晶缺陷和杂质主导的非辐射复合限制了钙钛矿光伏器件，尤其是大面积柔性器件的性能和良率。针对这一问题，2026年2月27日南昌大学胡笑添&江西师范大学陈义旺&华南理工大学薛启帆提出了一种创新策略，将原位缺陷检测与激光精准修复技术集成到印刷工艺中。该方法利用光致发光量子产率和乌尔巴赫能测量，可视化地识别出大面积钙钛矿薄膜中缺陷和杂质的富集区域，并采用450 nm激光对这些区域进行快速、精准的修复。该策略有效消除了深层能级缺陷，促进了非活性δ相向活性α相的转变，并诱导了钙钛矿晶体的二次生长和择优取向。基于此，面积为1.01 cm²的柔性钙钛矿太阳能电池实现了25.21%的冠军光电转换效率（认证效率24.57%），100 cm²的柔性组件效率达到17.36%，并获得了90%的高良率。

背景介绍

柔性钙钛矿太阳能电池因其可弯曲、轻质等独特优势，在建筑集成光伏、便携式设备和可穿戴电子等领域具有广阔的应用前景。然而，高效率器件（>25%）的制备大多基于小面积刚性基底和旋涂工艺，而采用印刷技术制备的大面积柔性器件，其性能和重复性仍存在较大差距。缺陷诱导的非辐射复合是性能损失的主要来源，随着活性层面积的增大，缺陷数量增加，导致非辐射复合损失加剧，不仅限制了大面积器件的性能，也降低了生产过程中的良率。因此，识别并调控大面积钙钛矿薄膜中主导非辐射复合的缺陷，对于消除面积引起的性能和良率损失至关重要。目前，大多数策略基于实验室旋涂工艺开发，其在规模化生产中的可操作性有待验证。未来大规模生产中，需要集成一种能够准确、快速、非破坏性地识别和消除大面积钙钛矿薄膜缺陷的策略。

本文亮点

首次将光谱检测与激光修复技术集成到印刷工艺中，实现了对大面积钙钛矿薄膜中缺陷和杂质的原位识别与精准修复，为规模化生产提供了新的技术路径。激光修复通过促进Pb⁰向高价态铅氧化物转化、利用空气中的氧钝化碘空位、诱导残余δ相向α相快速转变以及促进钙钛矿晶体奥斯特瓦尔德熟化，实现了缺陷的全面消除和晶格一致性的提升。

图文解析

全流程处理与缺陷可视化验证

图1A展示了将原位缺陷检测与激光修复集成到印刷工艺中的完整流程：首先通过狭缝涂布制备大面积钙钛矿薄膜，随后利用PLQY和EU测量对薄膜进行快速检测，可视化地识别出缺陷和杂质的富集区域，最后使用450 nm激光对这些区域进行快速精准修复。图1B通过深能级瞬态谱的阿伦尼乌斯图拟合，提取了原始与修复后器件的陷阱能级深度，结果显示原始器件中存在两个位于价带顶上方0.555 eV和0.529 eV的深能级陷阱H1和H2，而修复后器件中这两个深能级陷阱消失，取而代之的是一个位于0.374 eV的较浅陷阱H3。图1C直观地展示了原始器件中深能级缺陷的存在以及修复后缺陷能级变浅的过程，其中峰的高度代表了缺陷态密度的大小。图1D给出了陷阱的捕获截面积对比，修复后器件的捕获截面积（2.77×10⁻¹⁷ cm⁻²）远小于原始器件（3.41×10⁻¹⁷ cm⁻²和7.17×10⁻¹⁷ cm⁻²），进一步证实了激光处理在消除深层能级缺陷、降低缺陷态密度方面的显著效果。

形貌与结晶演化

图2A展示了基于科学级CMOS荧光强度成像的激光辅助修复过程示意图。图2B和2C分别为激光处理区域的光学照片和对应的荧光强度图，在3×3 mm²的处理区域内，颜色由近透明变为深棕色，且荧光发射显著增强，直接证明了激光诱导了非光学活性的δ相向光学活性的α相转变。图2D和2E展示了原始与修复后薄膜的表面及截面扫描电镜图像，修复后的薄膜晶粒尺寸明显增大，表面更加平滑，缺陷更少。图2F和2G为30×30 μm²区域的瞬态光致发光强度分布图，修复后薄膜的PL强度更强且分布更窄（~180-480），而原始薄膜分布较宽（~80-420），表明修复后薄膜具有更好的晶体均匀性。图2H和2I的掠入射广角X射线散射图显示，原始薄膜呈现德拜-谢乐环状分布，对应无序的（100）晶面取向；而修复后薄膜在φ≈36°和66°处出现了明显的布拉格斑点，表明在（100）晶面上形成了择优取向。图2J为沿（100）晶面环向的积分散射强度图，图2K计算了赫尔曼取向因子，修复后薄膜的取向因子（-0.3383）相比原始薄膜（-0.1466）提升了2.31倍，说明激光处理不仅消除了缺陷，还显著增强了钙钛矿晶体的取向性。

激光修复机制

图3A和3B展示了原始与修复后薄膜的伪彩色瞬态吸收图，与原始薄膜相比，修复后薄膜在750-780 nm处展现出更深的基态漂白信号和更长的衰减时间，表明带边/激子态填充更完全，非辐射复合途径减少，载流子寿命延长；同时，650 nm附近的激发态吸收信号在早期更明显、后期衰减更干净，表明热载流子弛豫更快，与缺陷相关的长寿命激发态吸收被抑制。图3C对750 nm处的基态漂白信号和650 nm处的激发态吸收信号进行了三指数动力学拟合，结果显示修复后薄膜的快速弛豫过程t1从11.32 ps降至4 ps，这与增强的电子-声子相互作用相关；而较长的扩散/非辐射复合时间t2从152.64 ps增至173.62 ps，载流子寿命t3从1264.73 ps增至1289.55 ps，证实了缺陷的减少和材料质量的提升。图3D和3E为原始与修复后薄膜的X射线光电子能谱及拟合分析，原始薄膜中在136.8 eV处存在明显的金属铅（Pb⁰，非辐射复合中心）信号，修复后该信号显著减弱，同时137.6 eV和138.4 eV处归属于PbO和PbO₂的信号增强，表明激光促进了Pb⁰与吸附氧的配位。图3F的拉曼光谱也印证了上述结果。图3G总结了激光修复的四重机制：激光促进Pb⁰氧化为PbO/PbO₂；激光促进空气中氧钝化碘空位，形成I-Pb-O结构；激光诱导残余δ相快速转变为α相；激光促进钙钛矿晶体奥斯特瓦尔德熟化，消除晶界，释放应力，提升晶格一致性。

柔性器件光伏性能

图4A展示了1.01 cm²柔性器件在AM1.5G光照下的J-V曲线，修复后器件的开路电压（1.19 V）和填充因子（82.25%）相比原始器件（1.16 V，77.18%）显著提升，冠军效率达25.21%，且正反向扫描迟滞可忽略，远高于原始器件的23.01%。图4B为对应的外量子效率曲线，原始与修复后器件的积分电流密度分别为24.51 mA cm⁻²和24.75 mA cm⁻²，与J-V测试结果吻合良好。图4C将本工作与近五年报道的柔性器件效率进行对比，红色五角星代表本工作，结果显示在1.01 cm²面积上取得的效率处于领先水平。图4D为莫特-肖特基曲线，修复后器件具有更高的内建电势（0.98 mV vs. 0.95 mV）和更低的掺杂浓度（斜率更大），表明耗尽层更宽，有利于光生载流子的分离和输运。图4E为电致发光外量子效率曲线，修复后器件的最大EQE从原始器件的2.49%提升至5.61%，对应的非辐射复合电压损失从0.095 V降至0.074 V。图4F为填充因子损失分析，结果表明缺陷诱导的非辐射复合是填充因子损失的主要原因，修复后该部分损失显著降低。图4G为氮气氛围下最大功率点追踪稳定性测试，修复后器件在720小时后仍保持92.86%的初始效率，而原始器件仅保持75.88%。图4H为25°C、25%相对湿度下的环境稳定性测试，修复后器件的T80寿命超过1200小时，远优于原始器件的约500小时。

大面积柔性组件性能验证

图5A对50个1.01 cm²柔性器件的性能参数进行了统计，修复后器件的各项参数（VOC、JSC、FF、PCE）分布更集中、平均值更高，展现了优异的工艺重复性。图5B和5C展示了100 cm²柔性组件的设计图与实物照片。图5D和5E为100 cm²原始与修复后柔性组件在开路电压下的光致发光强度分布图，修复后组件的PL强度更高、均匀性更好，表明大面积薄膜的缺陷得到了有效修复。图5F为100 cm²柔性组件的J-V曲线，修复后组件的冠军效率达17.36%，远高于原始组件的16.45%。图5G为基于50个独立器件的100 cm²修复后柔性组件效率统计，平均效率显著提升，分布集中。图5H将原始与修复后器件的冠军小电池效率、组件效率和良率进行对比，修复后组件在各项指标上均实现了显著提升，尤其是90%的高良率（原始为46%），充分证明了该技术在大规模制造中的实用潜力。

总结与展望

本研究提出并验证了一种适用于印刷柔性钙钛矿光伏的原位缺陷检测与精准修复策略。通过PLQY和EU测量实现对缺陷的快速识别，并利用450 nm激光进行精准修复。该策略有效消除了深层能级缺陷，优化了薄膜结晶质量，显著提升了器件性能、良率和稳定性。这项工作为克服大面积柔性钙钛矿光伏器件的性能和良率瓶颈提供了一种可行的技术方案，对其商业化进程具有重要的推动作用。