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(chǎn)業(yè)化面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一是串聯(lián)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(lián)電阻和長期穩(wěn)定性。傳統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)PSM串聯(lián)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(wěn)定性和可重復性。

鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）制備

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串聯(lián)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(yè)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(fā)沉積。

P1-P2-P3 劃刻工藝參數(shù)

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串聯(lián)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(xiàn)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(qū)面積。

P1劃刻工藝優(yōu)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(yōu)勢：355nm波長下，鈣鈦礦吸收遠高于TCO（如SnO?），可實現(xiàn)精準去除而不損傷底層。關鍵工藝參數(shù)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(yōu)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(yōu)窗口為150-234mW（80kHz,400mm/s）。

P3劃刻工藝優(yōu)化

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不同參數(shù)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(shù)，可以在不損傷底層鈣鈦礦層的情況下，實現(xiàn)精確的背電極劃刻。實驗發(fā)現(xiàn)，Au電極分割的最佳工藝參數(shù)為：

• 重復頻率：100-150 kHz
• 平均功率：約100 mW 該參數(shù)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(xiàn)鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）串聯(lián)互連的P1-P3劃刻。P1劃刻：FTO基底耐受性優(yōu)于ITO，柔性PEN/ITO需優(yōu)化邊緣清理。P2劃刻：紫外激光提供寬參數(shù)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(wěn)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(jiān)測鈣鈦礦薄膜、透明氧化玻璃或組件光學透過率的系統(tǒng)，用于優(yōu)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(shù)據(jù)
• 穩(wěn)定性好：測量穩(wěn)定性＜0.1%，在重復測試10次中能夠提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，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(jiān)測，可快速驗證P2劃刻中鈣鈦礦殘留并優(yōu)化工藝，為低成本、高效率鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）的規(guī)模化生產(chǎn)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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