鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率（單結>26%、鈣鈦礦/硅疊層>34%）和低成本潛力，成為光伏領域的研究焦點。但溶液法制備的鈣鈦礦薄膜在大面積規模化生產中面臨均勻性差、穩定性不足等挑戰。低壓化學氣相沉積（Low-Pressure CVD, LP-CVD）技術憑借其高可控性、材料利用率高（>60%）及優異的薄膜均勻性，成為實現工業化生產的理想路徑。本文通過美能鈣鈦礦在線PL測試機對薄膜光致發光特性進行實時監控，結合AI深度學習優化工藝參數，系統研究CsBr與PbI?沉積順序對鈣鈦礦薄膜生長、離子遷移及電池性能的影響，開發了全真空工藝的高效半透明單結電池及鈣鈦礦/硅疊層電池，為規模化應用提供了新策略。

低壓化學氣相沉積（CVD）的制備與特性

鈣鈦礦薄膜的低壓氣相沉積過程示意圖

• 制備工藝--采用兩步LP-CVD法：

• 首先通過熱蒸發沉積無機前驅體（CsBr/PbI?），隨后在低壓腔室內進行甲脒碘化物（FAI）的氣-固反應生成鈣鈦礦薄膜（Cs???FA?Pb(I?Br???)?）。
• 改變無機前驅體沉積順序，制備兩種樣品：

• CsBr-first：基底結構為 ITO | NiO? | SAM | CsBr|PbI? ；
• PbI?-first：基底結構為 ITO | NiO? | SAM | PbI? | CsBr 。

無機框架至鈣鈦礦的形貌演變

• 形貌與晶體演化：

CsBr-first樣品中，PbI?在30秒內完全轉化為鈣鈦礦相，晶粒沿垂直方向快速生長，3分鐘時形成致密雙晶結構。PbI?-first樣品反應速率較慢，殘留PbI?至30秒，晶粒橫向融合過程延長。XRD顯示，CsBr-first樣品早期出現δ-CsPb(I???Br?)?中間相，而PbI?-first樣品生成CsPb?I?Br，最終均轉化為α相鈣鈦礦。

鈣鈦礦成分與光致發光（PL）特性

• 成分分析

CsBr-first樣品中Br?含量更高（I?/Br?強度比低），導致帶隙展寬（1.60 eV vs 1.57 eV）； Cl?在界面富集，促進晶粒生長但未進入晶格。 退火影響：退火后（130°C, 1 h），兩樣品帶隙進一步展寬，但CsBr-first仍保持更高Br?含量，表明離子交換不可逆。

• 光致發光（PL）特性：

氣-固反應中鈣鈦礦的半原位光致發光（PL）

CsBr-first樣品：PL峰在5-10秒紅移至800 nm（FA?主導），隨后藍移至780 nm（Br?摻入）； PbI?-first樣品：PL峰在30-60秒發生類似藍移，最終帶隙更低（1.57 eV）。

鈣鈦礦薄膜的時間分辨共聚焦熒光顯微鏡圖像(a) CsBr優先樣品(b) PbI?優先樣品(c-d) 載流子壽命參數

載流子壽命：CsBr-first樣品τ???=301.3 ns，非輻射復合較少；PbI?-first樣品τ???=242.7 ns，缺陷密度較高。

陽離子遷移對鈣鈦礦性能的影響

氣-固反應中陽離子的遷移過程

• Cs?遷移路徑：

初始分布：CsBr-first樣品表面富Pb2?、底部富Cs?；PbI?-first樣品反之。反應過程：FA?擴散驅動Cs?遷移，10秒內Cs?從富集區向貧化區擴散，3分鐘時垂直分布均勻。影響機制：沉積順序決定遷移路徑，但不影響最終均勻性；遷移速率差異導致晶格收縮和帶隙變化。

• Br?與I?交換：

CsBr-first樣品中，底層Br?更易進入晶格且難逃逸，形成高Br?含量鈣鈦礦；PbI?-first樣品Br?交換受限，I?占比更高，帶隙更窄。

鈣鈦礦太陽能電池性能與穩定性

• 半透明單結電池（ST-PSCs）：

半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的光伏性能

CsBr-first電池：效率18.7%（J?c=22.7 mA/cm2，V?c=1.06 V，FF=0.78），穩態輸出功率（qSPO）達18.1%； PbI?-first電池：效率17.1%（J?c=21.8 mA/cm2，V?c=1.05 V，FF=0.75），qSPO為16.9%。 穩定性：CsBr-first電池在200小時MPPT后保持94%效率，歸因于真空沉積無溶劑殘留及致密結構。

• 鈣鈦礦/硅疊層電池：

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池性能

全真空工藝：頂部鈣鈦礦電池與底部TOPCon硅電池集成，效率達26.9%（V?c=1.71 V，J?c=20.2 mA/cm2，FF=0.78）； EQE響應：鈣鈦礦（300-800 nm）與硅（800-1200 nm）互補，總電流損失僅3.6 mA/cm2； 穩定性：200小時后效率保持80%，展示工業化潛力。本文深入探究鈣鈦礦低壓化學氣相沉積技術（CVD）在高效疊層太陽能電池中的應用潛力，通過PL實時監測鈣鈦礦薄膜光致發光特性，精準掌握薄膜生長動態與離子遷移規律。借助 AI 優化工藝參數，成功制備出高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦/硅疊層電池，驗證了LP-CVD技術的產業化可行性，為鈣鈦礦光伏技術的發展提供有力支撐。

美能鈣鈦礦在線PL測試機

Millennial Solar

在線PL缺陷檢測通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，系統性解決了太陽能電池生產中的速度、良率、成本、工藝優化與穩定性等核心痛點，并且結合AI深度學習，實現全自動缺陷識別與工藝反饋。

• PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜50um/pix，（成像精度可定制）
• 高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤ 2s，漏檢率< 0.1%；誤判率< 0.3%
• AI缺陷識別分類訓練：實現全自動缺陷識別與工藝反饋

本研究通過系統解析LP-CVD鈣鈦礦的晶體生長與離子遷移機制，為高性能、高穩定性電池的設計與制備提供了理論依據。結合美能鈣鈦礦在線PL測試機的高精度缺陷檢測與AI工藝反饋，進一步優化大面積薄膜均勻性，推動鈣鈦礦光伏技術從實驗室邁向產業化。

原文參考：Low Pressure Chemical Vapor Deposited Perovskite Enables all Vacuum-Processed Monolithic Perovskite-Silicon TandemSolar Cells

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