国产首台套钙钛矿薄膜结晶量产装备落地

　　来源：科技日报

　　科技日报记者王禹涵

　　2. 88 平方米级有效幅面、膜厚差异低于5%、量产良率从 70% 提升至 90% 以上、组件效率稳步提升至 19% 以上——10 月 30 日，全国首台套 2 米级钙钛矿薄膜抽气结晶量产装备落地昆山协鑫光电股份有限公司（以下简称“协鑫光电”），并实现稳定连续运行。

　　该装备依托西安交通大学材料学院教授杨冠军团队原创的抽气结晶技术，通过主动调控溶剂挥发与薄膜形核、结晶过程，破解了大面积钙钛矿薄膜结晶均匀性难题，标志着国产钙钛矿薄膜结晶装备完成从技术研发到大尺寸工业化应用的关键跨越，为我国钙钛矿光伏规模化制造提供了核心装备支撑。

　　攻克大面积成膜难题

　　钙钛矿电池的制造，关键是把一层不到 1 微米厚的钙钛矿薄膜均匀“铺”在 2 米多宽的玻璃上。“‘涂膜’就像摊煎饼一样。”杨冠军对记者说，将钙钛矿薄膜材料溶进溶剂做成“面糊”刮到玻璃上，干了以后要长成一层均匀的晶体薄膜，而不能像海水晒盐一样生成一堆颗粒和孔隙。

　　行业此前的技术路线，多借鉴半导体领域的非结晶胶膜干燥技术，或依靠气刀、真空干燥、闪蒸等方式调控薄膜干燥过程，特征是必须依赖大量溶剂添加剂来抑制结晶。杨冠军将其比作“化学疗法”——溶剂添加剂残留难以去除，后续易引发问题；同时，溶剂挥发不均、结晶难以控制，容易造成薄膜缺陷。他说，真正的难题不是把液体抹匀，而是“在一个液膜涂完就已经不均匀的前提下，怎么让它均匀地干燥和结晶”。

　　2014 年，杨冠军带领团队在国际上率先提出抽气结晶技术，启动钙钛矿抽气结晶技术及装备研发。与传统路线不同，该技术不依赖额外的溶剂添加剂成分，采用抽气结晶物理液相沉积技术，将材料配方、设备结构与工艺参数相结合，通过主动调控溶剂挥发及薄膜形核、晶体生长过程，提高大面积薄膜结晶的一致性和可控性。杨冠军表示，传统路线主要实现了液膜的半干燥，将结晶环节后移，结果是把针孔转化为界面孔、将缺陷封闭于膜层内部；抽气结晶技术的核心，则是将不均匀的液相膜转化为均匀的晶体膜。

　　这一原创技术从提出到落地，走过了十余年攻关历程。2016 年团队申请专利并发表论文，但实验室的“指甲盖”到产线的“2 米4”之间，仍隔着漫长的工程化跨越。在实验室小面积器件上，晶硅与钙钛矿均可实现 28% 的光电转换效率，但钙钛矿组件面积增大后，其光电转换效率便明显下降。

　　为跨越这一鸿沟，团队从 30 毫米见方、100×100 毫米、650×450 毫米，直至 2.4 米×1.2 米的量产尺寸，与协鑫光电共同验证迭代，逐步完成抽气结晶装备全系列规格的工程化放大。协鑫光电总工程师蔡龙华表示，装备落地后，薄膜厚度差异低于5%，钙钛矿组件量产良率从 70% 提升至 90% 以上，组件效率稳步提升至 19% 以上。

　　抢占产业话语权

　　装备突破之外，标准制定是另一项关键成果。早在国内外产业尚未成规模时，杨冠军便带领团队启动标准布局：去年 10 月在国际标准大会上提出抽气结晶技术相关提案并获通过，今年 3 月正式获批国家标准立项，形成国际标准与国家标准同步推进的格局，这也是钙钛矿薄膜结晶领域首次由中国团队牵头制定国际标准。

　　这套标准解决什么问题？杨冠军解释，团队牵头制定的这一系列标准聚焦钙钛矿薄膜“怎么造”，为制造环节提供规范依据。30 日，《抽气结晶物理液相沉积薄膜技术规范》国家标准编制审定会议在协鑫光电召开，该标准围绕薄膜质量要求、设备及关键工艺参数、检测评价方法等建立技术规范，具体规定了设备选型、设备验收以及薄膜结构特征和性能参数的检测方法，是六项系列标准的第一个。杨冠军表示，后续还将覆盖表面粗糙度、薄膜厚度均匀性、针孔缺陷等更具体的检测评价方法。

　　在蔡龙华看来，标准与装备是产业协同的一体两面。当前钙钛矿组件产业链最需补强两个环节：一是设备厂家需针对钙钛矿薄膜结晶工艺开展特定研究和改良，才能持续推动产品提效降本；二是原材料环节，钙钛矿材料尚未形成规模化供应，价格居高不下。他判断，随着两三年内三四家企业具备吉瓦级产能，原材料供应商将更有动力扩大生产、降低成本。

　　按照国家标准管理程序，该标准征求意见后，预计明年上半年完成报批。“未来两三年，钙钛矿组件将会在弱光发电、BIPV、光伏围墙等分布式场景率先突破；未来 3 到 5 年之内，则有望通过硅钙叠层等路线在大规模地面电站上逐步取代单纯晶硅。”蔡龙华判断，产业化将分阶段推进。