钙钛矿电池组件P1-P2-P3激光划刻工艺实现高效互联与死区最小化-电子发烧友网

在钙钛矿太阳能电池串联结构的制备过程中，需对不同功能膜层进行精确定位划线。目前，划刻工艺主要包括掩模板法、化学蚀刻、机械划片与激光划片等方式，其中激光划片因能够实现更高精度的划区逐渐成为主流技术，引入美能钙钛矿大面积影像测试仪，对划线形貌、材料残留及界面质量进行实时监测与智能分析。

本研究采用532 nm波长、300 fs脉冲宽度的光纤飞秒激光系统，成功完成了P1、P2及P3全部划线的制备。经工艺参数优化，最终确定P1划线的最佳参数为划片速度2000 mm/s、激光功率1.8 W，实现了缝宽小于10 μm的高质量划线。结果表明，激光划片技术在提升钙钛矿太阳能电池组件互联性能方面具有重要应用价值。

实验部分

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实验材料

激光刻划的钙钛矿组件由 P1、P2、P3 三层构成；P1层：厚度约500 nm的ITO玻璃；P2层：约800 nm的混合膜层，包含SnO?（ETL）、FA?.??Cs?.??PbI?钙钛矿吸收层和Spiro-OMeTAD（HTL）；P3层：厚度约80 nm的纳米金（Au）层。

实验装置

选用脉冲宽度300 fs、波长532 nm的飞秒激光器，最大平均功率40 W，最大重复频率500 kHz。光束直径2 mm，使用2–10倍扩束器。激光可工作于单脉冲或脉冲串模式（ 1–10个脉冲可调），光束垂直照射样品，样品置于XY电动平台上，定位精度达微米级。

表征手段

通过视频显微镜观察样品微观形貌与结构，激光共聚焦显微镜进行划区三维成像与划痕深度测量，使用数字万用表测量样品电阻率。

P1划线工艺优化

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不同功率范围下的激光P1划线显微图像与电阻测量图

P1划线的目标是完全去除ITO层而不损伤玻璃基板，当激光功率低于1.8 W时，划线不彻底，两侧电阻仍导通（17.3 Ω）；功率高于2.4 W则导致玻璃基板损伤，出现黑色灼烧区域；在1.8–2.4 W范围内可实现清晰隔离且无基底损伤。

不同激光划线速度下的P1划线区域显微图像

激光功率为2.4W时，不同速度下的P1划线显微图像

激光功率为2.1W时，不同速度下的P1划线显微图像

激光功率为1.8W时，不同速度下的P1划线显微图像

划片速度也对加工质量有显著影响。速度超过2500 mm/s时热影响区明显增大，因此推荐速度控制在2500 mm/s以下。在固定功率为2.4 W、2.1 W和1.8 W条件下，分别测试500–2500 mm/s速度范围内的划线效果。

P1划线宽度与加工速度的关系图

结果表明，随着速度提高，划线形貌由粗糙、边缘撕裂逐渐变为均匀条纹，平均缝宽分别从11.74 μm、11.42 μm、10.83 μm下降至10.03 μm、9.52 μm、9.16 μm。在500 mm/s时存在明显热影响，其他条件下热影响区宽度均控制在1 μm以内。

综合功率与速度的影响，确定P1最优工艺参数为：功率1.8 W，速度2000 mm/s，频率1000 kHz，单脉冲模式，零离焦。此条件下缝宽最小、热影响可控，满足高效组件对“死区”宽度的严苛要求。

P2划线工艺

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激光P2划线的 (a) 显微图像与 (b) 三维成像深度测试图

P2需穿透Perovskite / HTL / Au多层结构而不损伤P1层的ITO，技术难度最高。实验采用填充划线模式（线宽100 μm），在功率0.46 W、速度4000 mm /s条件下，划深858 nm，刚好完全去除P2层而不损伤底层ITO。

P3划线工艺

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激光P3划线的 (a) 显微图像与 (b) 三维成像深度测试图

P3需去除金电极并隔离相邻单元，优化参数为功率0.2 W、速度6000 mm/s，划深534 nm。虽略深于金层厚度，但未损伤P1层，满足电学隔离要求。

本研究系统优化了钙钛矿太阳能电池组件飞秒激光划片工艺，明确了P1划线应在1.8–2.4 W功率和低于2500 mm/s速度范围内进行，既可完全隔离ITO层又避免损伤玻璃基板，同时发现提高速度或降低功率可有效减小缝宽及热影响区，最终确定P1最优参数为功率1.8 W、速度2000 mm/s、频率1000 kHz的单脉冲模式；P2和P3划线则分别在0.46 W/4000 mm/s和0.2 W/6000 mm/s条件下实现精确刻蚀且不损伤底层结构。该工艺为钙钛矿组件实现高效互联、最小化死区提供了可靠的技术路径。