超声波喷涂：革新钙钛矿太阳能电池涂层制备工艺

　　在全球能源转型的浪潮中，钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术的核心代表，凭借出色的光电

转换效率与相对简便的制备流程，成为学术界与产业界争相研究的焦点。其制备工艺的每一次突破，

都推动着这项技术向商业化应用大步迈进。本文将深入剖析钙钛矿太阳能电池的制备全流程，着重探讨

超声波喷涂技术在涂层制备中的关键作用与显著优势。

　　一、钙钛矿太阳能电池工艺体系与制备方法

　　钙钛矿电池的制备工艺体系可从基础制备方法和整线工艺流程两大维度展开。目前，主流的基础制

备方法涵盖溶液涂布法、旋涂法、喷涂/喷墨打印法、软膜覆盖法和气相沉积法等五大核心技术。

　　溶液涂布法以刮刀涂布、狭缝涂布和丝网印刷为主要分支。其中，狭缝涂布法凭借100mm/s级的

涂布速度、超90%的浆料利用率以及±5nm级别的膜厚控制精度，成为产业化生产的热门选择。旋涂法

分为一步法和两步法，通过2000–6000rpm的高速旋转实现纳米级膜厚控制，常被用于实验室创造高转

换效率记录，不过其材料浪费严重的问题较为突出。喷涂/喷墨打印法借助压电喷头精准控制10–100μm

的液滴尺寸，通过路径编程实现复杂图形化加工，尤其适用于柔性基底。软膜覆盖法利用PI膜构建密闭

反应环境，在0.1–0.5MPa压力下制备无针孔缺陷的均匀薄膜。气相沉积法包含真空蒸镀和CVD法，虽能

获得纯度高达99.99%的膜层，但设备投资成本高达千万级。

　　钙钛矿太阳能电池制备技术全解析:革新钙钛矿电池涂层工艺

　　在这些方法中，超声波喷涂技术正以独特优势崭露头角。它通过高频超声波将溶液雾化成均匀细小的

液滴，精准喷涂在基底表面，为钙钛矿太阳能电池涂层制备带来新的可能。

　　二、整线工艺流程解析

　　完整的钙钛矿电池生产线由前段制程和后段封装两大模块构成，包含30余道关键工序。

　　（一）前段电池制备

　　基底处理：对FTO/ITO导电玻璃进行40kHz、100W的超声清洗，并采用波长185nm的UV–Ozone处

理10min，使表面能提升至72mN/m以上，为后续涂层附着奠定基础。

　　电子传输层制备：运用磁控溅射在工作气压0.5Pa、功率200W条件下，制备30–50nm的致密TiO₂层，

再通过450℃的喷雾热解沉积150nm的介孔层。

　　钙钛矿层构建：溶液法中，以MAPbI3为例，前驱体溶液浓度设为1.2M，旋涂转速4000rpm（加速

度3000rpm/s），经100℃退火10min成型；气相辅助法则先沉积PbI2薄膜，再置于压力10kPa的MAI蒸

汽中反应30min，结晶度可达95%以上。而在钙钛矿层构建环节，超声波喷涂技术展现出独特价值。它能

够均匀雾化前驱体溶液，使钙钛矿薄膜在基底上更均匀沉积，有效减少薄膜厚度不均和缺陷问题，提升薄

膜的结晶质量与光吸收性能。

　　空穴传输层沉积：将浓度72mg/mL的Spiro–OMeTAD溶液旋涂成200nm薄膜，掺杂Li–TFSI（17.5μL）

和tBP（28.8μL）后进行12h氧化处理。

　　电极加工：采用热蒸发以0.3Å/s的沉积速率沉积80nm金电极，结合波长355nm、脉冲能量0.5J/cm²的

激光刻蚀完成图形化。

　　（二）后段组件封装

　　胶层复合时，丁基胶涂布厚度控制在0.3mm±0.05mm，在150℃下进行20min层压，真空度维持在10Pa

以下；接线盒集成采用熔点138℃的低温焊锡（Sn42Bi58）焊接，焊接时间不超过3s避免热损伤；老化测试在

85℃/85%RH环境下持续1000小时，要求效率衰减控制在初始值5%以内。

　　三、超声波喷涂在涂层制备中的优势

　　与传统涂层制备方法相比，超声波喷涂技术具备显著优势。在薄膜均匀性方面，其独特的雾化方式可确保液

滴均匀分布，避免了旋涂法边缘厚中心薄的问题，以及溶液涂布法可能出现的条纹、流痕等缺陷，实现大面积基

底上薄膜厚度的高度一致性，从而提升电池整体性能的稳定性。在材料利用率上，超声波喷涂技术通过精准控制

雾化液滴的喷射方向和范围，大幅减少了材料的飞溅和浪费，相比旋涂法材料利用率可提升数倍，有效降低生产

成本。此外，该技术的工艺灵活性高，能够适应不同种类的溶液和基底材料，无论是刚性玻璃基底还是柔性聚

合物基底，都能实现高质量的涂层制备，为钙钛矿太阳能电池的多样化应用提供了有力支持。

　　四、关键工艺控制要点与性能测试体系

　　钙钛矿太阳能电池制备过程中，结晶调控、界面优化和封装防护是关键工艺控制点。通过反溶剂工程将甲苯

滴加时间控制在7–10s，可获得晶粒尺寸>500nm的钙钛矿层，使缺陷密度降低至10¹⁵cm⁻³量级；采用2mg/mL的

PEAI后处理形成2D/3D异质结结构，能让Voc提升50mV以上；三明治结构的封装采用0.2mm超薄玻璃+0.1mmPOE

胶膜组合，水汽透过率<5×10g/m/day，保障电池长期稳定性。性能测试体系包含光电参数测试、稳定性评估和表征

分析。在AM1.5G标准光照下，J–V曲线测试扫描速度为100mV/s，稳态效率测量需持续300s以上；稳定性评估涵盖光

浸泡测试（500h）、热循环（-40℃至85℃，200次循环）、机械弯曲（R=5mm，1000次）等；表征分析要求PL

寿命>200ns，TRMC测得载流子迁移率>20cm²/V・s，EIS谱显示重组电阻>10⁴Ω・cm²。

　　如今，随着设备精度提升和工艺窗口拓宽，钙钛矿电池量产良率已突破90%，组件效率稳定在18%以上。未来，

这项技术将朝着大面积制备（≥1m²）、稳定性提升（≥25年）和叠层器件开发（效率理论极限43%）的方向持续发

展，而超声波喷涂技术也将在其中发挥更大作用，推动光伏产业迈向新的高度。