《Advanced Materials Technologies》：Ultrafast (1-5 sec) Lamination of Perovskite Solar Cells With Self-Encapsulation Using Rapid Joule Heating
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编辑荐读：针对钙钛矿太阳能电池传统层压工艺耗时长、限制量产通量的瓶颈，研究者开发快速焦耳加热系统，将HP/HP界面扩散键合时间从26分钟缩短至1秒，实现99%以上效率提升；5秒层压器件效率达18.3%，且结合瞬态传热模型为卷对卷/片对片规模化制造奠定基础。
在光伏技术的竞技场上，卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）曾被视为极具潜力的“黑马”——凭借低温溶液沉积工艺的兼容性，它既能大幅降低制造成本，又实现了超过26%的光电转换效率（PCE），几乎追平了传统硅基电池的性能天花板。然而，这位“黑马”始终受困于两大顽疾：稳定性不足，以及难以跨越从实验室到工厂的量产鸿沟。
传统的PSCs制造遵循“逐层沉积”的老路：先在基底上沉积一层空穴传输层（HTL）或电子传输层（ETL），再在其上生长卤化物钙钛矿（HP）吸光层，最后叠加另一层传输层和电极。这种“叠罗汉”式的工艺看似顺理成章，实则暗藏危机——HP材料天生娇贵，既怕高温烘烤，又忌化学溶剂侵蚀。若想在其表面继续沉积传输层或电极，必须严格筛选温度低于其热分解阈值、溶剂不与HP反应的工艺条件，这直接限制了可用材料的种类，也让工艺优化束手束脚。更麻烦的是，传统工艺还需要额外的封装步骤来保护HP免受空气和水汽侵蚀，进一步拖慢了生产节奏。
有没有办法打破这种“层层受限”的僵局？层压技术（lamination）给出了答案。它像“拼三明治”一样，先将两个半电池（比如“电极/电子传输层/HP”和“电极/空穴传输层/HP”）分别在独立基底上制备完成，再将两者的HP面相对，通过加热加压实现界面扩散键合。这种方式不仅避免了直接在HP上沉积的风险，还能利用两层玻璃基底实现“自封装”，省去额外封装步骤。但现有层压工艺却有个致命短板：加热时间长达10-30分钟，在追求“秒级制造”的卷对卷（R2R）或片对片（S2S）量产线上，这无疑是个巨大的瓶颈。
如何把“分钟级”的层压变成“秒级”？研究者们把目光投向了快速热处理（RTP）技术。他们意识到，既然之前的研究已证明“温度比时间更重要”——只要温度足够高，即使时间缩短，键合质量也不会下降，那么只需设计一套能瞬间升温的系统，就能突破速度限制。于是，一项关于“超快层压”的研究应运而生，相关成果发表在《Advanced Materials Technologies》上。
为了实现这一目标，研究团队搭建了一套定制化的快速焦耳加热系统，核心是将薄膜加热器直接压在基底上，配合铜中间层减少热阻、硅胶层保证压力均匀，并用隔热纤维复合材料制作对准夹具减少环境热损失。他们通过原位热电偶测量样品温度，结合扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）等技术表征材料性能，还利用双悬臂梁楔入试验测试界面韧性，通过数字图像分析计算键合面积百分比（PBA）。此外，他们开发了COMSOL Multiphysics二维瞬态热传递模型，模拟加热过程中温度随时间的变化，并通过实验数据验证模型准确性。
2.1 Rapid Joule Heating System Design
传统层压工艺的温度曲线分为加热、恒温保压、冷却三个阶段，总耗时26分钟。研究者首先尝试去掉恒温保压阶段，仅用3分钟就完成了层压，但仍受限于液压机加载速度和样品升温时间。为此，他们设计了快速焦耳加热系统：采用130-160μm厚度的薄玻璃基底降低热质量，用薄膜加热器直接接触基底，铜箔改善温度均匀性，硅胶层兼顾压力均匀性和背面隔热，整套装置放入隔热夹具后通过液压机施压。实验显示，该系统可在1秒内将HP样品加热至目标温度，相比传统工艺时间缩短99%以上，且成功实现了柔性PET基底样品的1秒层压。
2.2 Materials Characterization
为了验证超快层压是否影响材料性能，研究者测试了两个关键指标：界面韧性和键合面积百分比（PBA）。结果显示，1秒层压样品的平均PBA达92±6%，与传统26分钟层压的95±2%无统计学差异（p=0.55）；界面韧性也无显著区别（p=0.11），表明超快层压并未牺牲键合的均匀性和机械强度。进一步通过SEM观察发现，1秒层压样品的晶粒尺寸大于未层压薄膜，虽略小于传统层压样品，但截面显微图像显示界面连续无空隙，形成了高质量键合。XRD和PL分析则证实，1秒层压未导致HP产生新相，稳态和时间分辨PL强度也与传统样品相当，说明材料晶体结构和光学性质未被破坏。
2.3 Device Demonstration
作为概念验证，研究者制备了具有“玻璃/FTO/HTL/SAM/HP/ETL/电极”结构的器件，其中HTL采用MeO-2PACz自组装单分子层（SAMs）钝化，HP为三阳离子组分（Cs0.05FA0.85MA0.1Pb(I0.97Br0.03)3）。由于器件使用较厚的0.8mm基底，热质量更高，需要5秒加热才能达到目标温度。最终，5秒层压的冠军器件实现了18.3%的PCE，开路电压（VOC）达1.1 V，稳定功率输出与传统26分钟层压的18.5%效率器件相当，且无统计学差异。稳定性测试显示，5秒层压器件在光热条件下的衰减特性与之前报道的层压器件一致，证明其可靠性。
2.4 Transient Heat Transfer Model
为了指导规模化生产，研究者建立了二维瞬态热传递模型，模拟加热过程中温度随时间和功率的变化。模型将加热器视为恒定功率源，考虑热传导和热接触电阻，边界条件包括侧面对流换热和顶部隔热层恒温。通过对比不同功率（44W、125W、364W）下的实验与模拟温度曲线，模型均方根误差（RMSE）仅为0.4-6.5 K，验证了准确性。模拟结果显示，当加热功率从低水平增加时，达到目标温度的时间急剧缩短，超过一定功率后趋于平缓；能量效率（理论加热所需能量与实际输入能量的比值）也呈现类似趋势，表明存在最优功率平衡点——既能保证高吞吐量，又能控制设备和能耗成本。
研究结论指出，快速焦耳加热技术可将PSCs的层压时间从分钟级缩短至秒级（1秒实现HP/HP界面键合，5秒制备功能器件），且键合质量、材料性能和器件效率与传统工艺相当。瞬态热传递模型的建立为大规模生产提供了参数预测工具，揭示了功率与效率的平衡关系。这项技术的意义在于：它不仅突破了层压工艺的速度瓶颈，还通过“自封装”省去了额外封装步骤，结合HTL和ETL半电池的并行制备，有望成为比传统逐层沉积更快的制造方案。未来，随着更高功率设备的开发和薄基底的应用，层压时间还可进一步缩短，为实现R2R或S2S连续化生产铺平道路，推动PSCs从实验室走向商业化市场。
