摘要：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）憑借超高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本溶液加工等優(yōu)勢(shì)，成為第三代光伏技術(shù)的核心代表。其性能與穩(wěn)定性高度依賴鈣鈦礦活性層的結(jié)晶質(zhì)量、薄膜均勻性及缺陷密度。傳統(tǒng)溶液旋涂、兩步沉積等方法存在結(jié)晶不可控、缺陷多、均勻性差等瓶頸。閃蒸成膜技術(shù)通過(guò)快速真空誘導(dǎo)溶劑揮發(fā)與晶體生長(zhǎng)，為高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備提供了全新解決方案。本文結(jié)合前沿學(xué)術(shù)研究，系統(tǒng)闡述閃蒸成膜技術(shù)在鈣鈦礦電池中的應(yīng)用原理、優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)介紹武漢君為科技有限公司的商用閃蒸成膜儀設(shè)備及其在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐價(jià)值。

一、鈣鈦礦電池成膜工藝的挑戰(zhàn)與技術(shù)需求

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的核心是具有 ABX?晶體結(jié)構(gòu)的鹵化物鈣鈦礦吸光層（如 MAPbI?、FAPbI?、Cs?FA???PbI???Br?）。該層的結(jié)晶度、晶粒尺寸、表面平整度及內(nèi)部缺陷，直接決定載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度、復(fù)合速率，最終影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）與穩(wěn)定性。

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室主流成膜工藝為一步溶液旋涂法與兩步順序沉積法，但均存在顯著局限：

一步旋涂法：前驅(qū)體溶液在高速旋轉(zhuǎn)下涂覆于基底，溶劑自然揮發(fā)結(jié)晶。該過(guò)程易出現(xiàn) “咖啡環(huán)效應(yīng)"，導(dǎo)致薄膜厚度不均；同時(shí)溶劑揮發(fā)速率不可控，易形成針孔、枝晶及大量晶界缺陷，缺陷密度高達(dá) 101?–101? cm?3。

兩步沉積法：先沉積 PbI?等無(wú)機(jī)前驅(qū)體，再浸泡于有機(jī)鹽溶液反應(yīng)生成鈣鈦礦。雖結(jié)晶度有所提升，但反應(yīng)動(dòng)力學(xué)難以精準(zhǔn)調(diào)控，易出現(xiàn)反應(yīng)不全、組分偏析，且大面積均勻性更難控制。

為突破上述瓶頸，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界積極探索新型成膜技術(shù)。閃蒸成膜（Flash Evaporation Deposition, FED） 憑借快速、可控、均勻的成膜特性，成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)，其核心是通過(guò)瞬時(shí)真空環(huán)境加速溶劑揮發(fā)，精準(zhǔn)調(diào)控鈣鈦礦的成核與結(jié)晶過(guò)程。

二、閃蒸成膜技術(shù)的原理與學(xué)術(shù)研究進(jìn)展

（一）閃蒸成膜的基本原理

閃蒸成膜技術(shù)基于真空輔助快速溶劑抽提與瞬態(tài)結(jié)晶調(diào)控機(jī)制。其核心過(guò)程為：將旋涂后的鈣鈦礦濕膜快速轉(zhuǎn)移至密閉真空腔體，通過(guò)大功率泵組瞬時(shí)降低腔體內(nèi)壓力（毫秒至秒級(jí)達(dá)到高真空），使溶劑沸點(diǎn)驟降并快速、均勻揮發(fā)；同時(shí)可配合精準(zhǔn)溫度控制，誘導(dǎo)鈣鈦礦前驅(qū)體在可控速率下成核、生長(zhǎng)，最終形成致密、均勻、大晶粒的高質(zhì)量薄膜。

與傳統(tǒng)工藝相比，閃蒸成膜的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：溶劑揮發(fā)由表面主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)檎w均勻抽提，有效抑制 “趨膚效應(yīng)"（即表面溶劑過(guò)快揮發(fā)導(dǎo)致內(nèi)部空洞、缺陷）；結(jié)晶過(guò)程在非平衡態(tài)下快速完成，晶粒尺寸更大、晶界更少，缺陷密度顯著降低。

（二）閃蒸成膜技術(shù)的學(xué)術(shù)研究突破

近年來(lái)，多項(xiàng)高水平學(xué)術(shù)研究驗(yàn)證了閃蒸成膜技術(shù)在提升鈣鈦礦電池性能上的顯著效果：

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)（2018）：在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表 “基于閃蒸法制備平面鈣鈦礦光伏器件"，系統(tǒng)驗(yàn)證閃蒸成膜的可行性。研究采用自主設(shè)計(jì)的閃蒸裝置，制備 MAPbI?薄膜，晶粒尺寸達(dá)微米級(jí)，缺陷密度較傳統(tǒng)旋涂法降低一個(gè)數(shù)量級(jí)；基于該薄膜的平面鈣鈦礦電池效率達(dá) 19.2%，且 hysteresis（遲滯效應(yīng)）顯著減小，穩(wěn)定性提升 30% 以上。

華中科技大學(xué)唐江團(tuán)隊(duì)（2026）：針對(duì)窄帶隙錫鉛（Sn-Pb）鈣鈦礦的 “趨膚效應(yīng)" 難題，發(fā)展低溫真空閃蒸策略。通過(guò)降低表面溶劑抽提速率、平衡內(nèi)外擴(kuò)散，將薄膜缺陷密度降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)；最終 1 cm2 Sn-Pb 鈣鈦礦電池實(shí)現(xiàn) 22.18% 認(rèn)證效率，為無(wú)反溶劑工藝最高紀(jì)錄。研究指出，閃蒸技術(shù)精準(zhǔn)的壓力與溫度控制，是抑制 Sn2?氧化、減少薄膜空洞的核心關(guān)鍵。

河北工業(yè)大學(xué)與昆明理工大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)（2025）：創(chuàng)新采用“旋涂 + 真空閃蒸" 協(xié)同工藝 ，通過(guò)閃蒸成膜儀精準(zhǔn)調(diào)控溶劑萃取動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化 Cs?.??MA?.??FA?.?PbI?薄膜結(jié)晶。該工藝制備的倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池效率連續(xù)突破，最高達(dá) 26.79%，躋身國(guó)際頂尖水平。論文明確提出，閃蒸技術(shù)解決了傳統(tǒng)溶液法大面積均勻性差、批次穩(wěn)定性低的痛點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)化放大奠定基礎(chǔ)。

三、武漢君為科技閃蒸成膜儀：實(shí)驗(yàn)室級(jí)精準(zhǔn)成膜解決方案

（一）設(shè)備概況與核心型號(hào)

武漢君為科技有限公司作為國(guó)內(nèi)專注于鈣鈦礦光伏實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)，其自主研發(fā)的JW 系列閃蒸成膜儀已成為高校、科研院所鈣鈦礦實(shí)驗(yàn)室的主流設(shè)備之一。該系列針對(duì)鈣鈦礦實(shí)驗(yàn)需求深度優(yōu)化，集成高精度真空、溫度與程序控制系統(tǒng)，核心型號(hào)包括JW-160SZ 加熱型閃蒸成膜儀、JW-100DW 低溫閃蒸成膜儀和JW-100SZ常規(guī)型閃蒸成膜儀。

（二）核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)與參數(shù)特性

1.極速真空系統(tǒng)，高效溶劑抽提

采用定制高抽速真空泵組，10 秒內(nèi)從常壓抽至 10 Pa 以下，最小真空度≤1 Pa。瞬時(shí)高真空可使 DMF、DMSO 等鈣鈦礦溶劑瞬間沸騰揮發(fā)，避免慢速揮發(fā)導(dǎo)致的組分偏析。

氣流導(dǎo)室與流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保腔體內(nèi)壓力均勻分布，消除局部溶劑殘留，保證薄膜大面積均勻性。

2.精準(zhǔn)溫控模塊，適配多元體系

JW-160SZ（加熱型）：控溫范圍室溫–150℃，溫度分辨率 0.1℃，面板均勻性 ±1%，支持線性梯度與平臺(tái)控溫，適配常規(guī)甲脒基、甲胺基鈣鈦礦高溫結(jié)晶需求。

JW-100DW（低溫型）：創(chuàng)新搭載 - 5℃–90℃精準(zhǔn)低溫模塊?？捎行б种?Sn-Pb 鈣鈦礦前驅(qū)體熱分解，適配 PET、PI 等柔性基底（避免高溫變形），并延緩結(jié)晶速率、減少晶界缺陷，為窄帶隙、柔性鈣鈦礦研究提供關(guān)鍵支撐。

3.智能程序控制，高實(shí)驗(yàn)重復(fù)性

配備 7 英寸高清觸控屏，支持 “快速抽氣 - 恒壓閃蒸 - 破氣恢復(fù)" 全流程自動(dòng)控制。

真空壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋，恒壓精度達(dá) ±3 Pa，確保批次間薄膜質(zhì)量高度一致，解決人工操作誤差問(wèn)題。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適配實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景

腔體采用 304 不銹鋼與鋁合金材質(zhì)，上蓋設(shè) 10 cm 可視化觀察窗，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成膜過(guò)程。

桌面式緊湊設(shè)計(jì)（外形約 325×285×336 mm），可直接集成于氮?dú)馐痔紫鋬?nèi)，兼容 ITO 玻璃、柔性基板、小面積組件等多種樣品。

（三）在鈣鈦礦實(shí)驗(yàn)中的典型應(yīng)用流程

以君為 JW-160SZ 閃蒸成膜儀為例，其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程如下：

前驅(qū)體制備：在手套箱內(nèi)配置鈣鈦礦前驅(qū)體溶液（如 FAPbI?：PbI?+FAI，DMF:DMSO=4:1）。

旋涂濕膜：以 3000–5000 rpm 轉(zhuǎn)速旋涂于 ITO/HTL 基底，形成均勻濕膜。

閃蒸處理：快速將基底轉(zhuǎn)移至閃蒸儀腔體，關(guān)閉腔蓋啟動(dòng)程序：10 秒抽至 10 Pa，恒溫 60℃恒壓閃蒸 30 秒。

后續(xù)退火：取出薄膜，100–150℃退火 10–15 分鐘，完成鈣鈦礦相轉(zhuǎn)化。

器件制備：蒸鍍電子傳輸層（PCBM、C??）與金屬電極（Au、Ag），完成電池制備。

經(jīng)該設(shè)備制備的鈣鈦礦薄膜，表面粗糙度 Ra＜5 nm，晶粒尺寸達(dá) 1–3 μm，缺陷密度低至 101? cm?3 量級(jí)，電池效率較傳統(tǒng)旋涂法平均提升 1.5–2.5%，且穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

四、總結(jié)與展望

閃蒸成膜技術(shù)憑借快速、可控、均勻的成膜優(yōu)勢(shì)，已成為突破鈣鈦礦電池效率與穩(wěn)定性瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，多項(xiàng)學(xué)術(shù)研究已證實(shí)其在高質(zhì)量薄膜制備上的不可替代性。武漢君為科技的 JW 系列閃蒸成膜儀,以極速真空、精準(zhǔn)溫控、智能控制為核心優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)室研究提供了標(biāo)準(zhǔn)化、高重復(fù)性的成膜解決方案，有效推動(dòng)鈣鈦礦電池從實(shí)驗(yàn)室高效小面積器件向大面積、穩(wěn)定化組件的研究邁進(jìn)。

未來(lái)，隨著鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，閃蒸成膜技術(shù)將進(jìn)一步向規(guī)?；?、卷對(duì)卷（R2R）兼容方向發(fā)展；而君為科技等設(shè)備廠商也將持續(xù)優(yōu)化設(shè)備性能，拓展低溫、高壓、氣氛調(diào)控等多功能模塊，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的商業(yè)化落地提供更*的裝備支撐。

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