上海葉爍與愛旭噴墨技術聯合攻關—鈣鈦礦膜均勻性與膜厚精准調控：設備-材料-工藝協同產業化開發
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摘要
鈣鈦礦/晶矽疊層電池的大面積均勻製備一直是制約光伏企業邁向產業化的核心技術難題之一。基於此，上海葉爍噴墨與愛旭聯合提出“設備–材料–工藝”三位一體的協同優化範式。在設備端，基於上海葉爍的高可靠性墨路系統，及對墨滴噴射行為的智慧化管控，實現了皮升級墨滴體積變異係數（CV）< 3%的精准管控；在材料端，通過構建溶劑揮發動力學體系模型，精准匹配噴頭流變窗口（Z≈2–6），有效抑制咖啡環效應；在工藝端，引入毫秒級預結晶技術暫態抹平濕膜溶劑梯度，誘導微區同步成核。愛旭疊層電池研發團隊選擇基於噴墨路線相容產線大絨面晶矽底電池的技術路線，突破了噴墨設備長期穩定運行、大絨面高保形鈣鈦礦膜層沉積製備技術兩大瓶頸難題。快速在全球（2024年）率先實現約30%的轉換效率（有效面積：1 cm2），這意味著這項新技術路線的效率潛力在全球範圍內得到了首次驗證。目光轉向產業化，大面積210*105mm2鈣鈦礦膜層的光致發光圖像（PL mapping）相對標準差低至2.4%，這一結果不僅突破了大面積鈣鈦礦成膜的均勻性瓶頸，更為數位化噴墨列印技術從實驗室邁向高效光伏量產線提供了堅實的實證支撐。
1 引言
在鈣鈦礦/晶矽疊層電池的產業化進程中，晶矽底電池表面的金字塔絨面結構對上層成膜工藝提出了嚴峻挑戰。傳統狹縫塗布技術受限於液橋穩定性，難以在絨面上實現高品質的保形化覆蓋，常因“懸橋效應”導致針孔缺陷，或因邊緣毛細效應引發嚴重的邊緣溢出，從而大大縮減了有效發電面積並增加了材料損耗。相比之下，噴墨列印技術憑藉其數位化噴射與對“虛擬邊框”的控制能力，不僅能精准補償金字塔形貌起伏，實現亞微米級的厚度均一性，更能從源頭上抑制邊緣厚邊缺陷，為大尺寸、高效率疊層元件的精密製造提供了可行的技術路徑。上海葉爍噴墨與愛旭聯合聚焦設備—工藝耦合優化這一核心路徑，對鈣鈦礦/晶矽疊層電池中鈣鈦礦光吸收層的均勻性規模化製備展開系統研究。
2 設備硬體端
2.1高可靠性噴頭和墨路控制系統
噴墨打印頭和墨路控制系統是決定墨滴體積精度（CV值）、落點準確度及長期穩定性的核心。鈣鈦礦前驅液通常含有DMF、DMSO等強極性溶劑，且可能含有不溶的納米顆粒，對噴射穩定性極其敏感。因此，噴頭和墨路控制系統必須首先圍繞“耐腐蝕、穩定可靠”兩方面展開。上海葉爍依託多年在噴印技術領域的深厚積累，為愛旭疊層電池研發團隊專門設計開發了適合鈣鈦礦材料的噴墨打印頭和墨路控制系統——高魯棒性的耐腐噴印體系，解決了客戶在鈣鈦礦層墨水材料在噴印技術應用中遇到的噴頭腐蝕和墨路不穩定難題。
2.2噴射行為管控
噴墨列印的膜厚均一性，可追溯到每一個墨滴體積、速度與落點的一致性——這正是設備端“精准投遞”能力的體現。因此，噴射行為管控不僅是電信號的控制，更是對流體力學行為的主動干預。上海葉爍噴墨技術研發中心面對鈣鈦礦前驅液DMF/DMSO體系複雜的流變特性，主動從噴射行為管控方面入手，通過解構壓電陶瓷的機電耦合回應，建立了“波形參數—墨滴動力學”的映射模型。利用微秒級時序控制，系統在液滴形成初期即施加反向阻尼波，抵消表面張力引起的振盪，從而獲得形態圓整、速度恒定的理想墨滴。這種從源頭上消除“壞滴”的策略，使得噴射穩定性不再單純依賴墨水的配方妥協，而是通過設備端的智慧化波形補償得以實現。
3 墨水材料端
上海葉爍與愛旭在噴墨列印鈣鈦礦技術研發工作中，共同意識到“墨水工程（Ink Engineering）”是決定膜厚均勻性、結晶品質與設備噴射穩定性的前置核心環節。它並非簡單的溶質溶解，而是對溶劑體系、流變學參數、膠體穩定性及添加劑化學的系統化調控，以匹配壓電噴頭的“微滴生成—飛行—鋪展—結晶”全鏈路物理過程。
3.1 溶劑體系工程：揮發動力學與配位調控
鈣鈦礦前驅液通常以 DMF、DMSO、NMP 等高沸點強極性溶劑為主，但單一溶劑難以兼顧噴射與結晶需求，需通過混合溶劑策略實現工程平衡。溶劑體系工程一般從如下幾個方面展開：
(1） 強配位溶劑（DMSO/NMP）：與Pb²⁺形成中間絡合物（如PbI₂–DMSO），穩定前驅體、延緩結晶，利於大晶粒生長，但揮發過慢易導致濕膜流淌與組分偏析1。
(2） 弱配位/低沸點溶劑（DMF/GBL/ACN）：調節揮發速率，縮短成膜視窗，但過快易致過早成核、針孔與咖啡環效應2。
(3） 綠色溶劑替代（GVL/DMI）：為降低DMF/DMSO毒性，引入γ-戊內酯（GVL）、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮（DMI）等環保高沸點溶劑，研究顯示GVL+DMSO體系可在空氣中實現>17%效率且薄膜均勻性達96%以上3。
(4） 梯度揮發體系：通過高/低沸點溶劑比例調控馬蘭戈尼流（Marangoni flow），抑制毛細管流導致的溶質邊緣富集（咖啡環），如引入酯類或呋喃類調節表面張力梯度。
圖注：墨滴在基板上鋪展過程中，不同溶劑組分的梯度逸出路徑，以及由此誘導的 Marangoni 流方向（黃色箭頭）對溶質輸運的調控作用。該圖旨在說明多組分溶劑設計如何通過揮發動力學匹配，抑制咖啡環效應並促進緻密結晶。
以下是對梯度揮發體系的解讀。以三元溶劑體系（2ME/DMF/NMP = 3:7:0.14 v/v）為例4，沸點與蒸氣壓共同刻畫溶劑的揮發行為：蒸氣壓反映特定溫度下分子逃逸的熱力學傾向，直接決定常溫及中溫乾燥階段的失重速率；沸點則標誌該溶劑在常壓下劇烈氣化的臨界溫度，預示其在預結晶或高溫退火段何時從“緩慢擴散”切換為“爆發式脫除”。多組分墨水中，低沸高蒸氣壓組分（如 ACN、2ME）充當快揮發觸發劑，在濕膜鋪展期快速建立溫度/表面張力梯度以啟動內向 Marangoni Flow；高沸低蒸氣壓組分（如 DMSO、NMP）則在後期作為配位穩相劑延緩結晶、填補晶粒間隙。二者通過 Clausius–Clapeyron（克拉-佩龍方程）關係耦合，共同定義鈣鈦礦前驅體溶劑的“揮發動力學窗口”。
3.2 流變學調控：可列印性視窗
上海葉爍噴墨技術研發中心提出，噴墨列印要求墨水具備嚴格的牛頓流體特性或弱剪切變稀行為，關鍵流變參數需落在噴頭可穩定噴射的“Z值（Ohnesorge number）視窗”內（通常 Z ≈ 1–10）5。
參數 | 典型適配範圍（壓電噴墨） | 調控目的與影響 |
黏度（η） | 2–15 mPa·s（常用 5–12 mPa·s） | 過低易產生衛星滴、漏墨；過高致噴射無力、頸縮斷裂失敗。可通過固含量、聚合物添加劑調節。 |
表面張力（γ） | 28–45 mN/m | 決定液滴斷裂效率與基板潤濕性；過低潤濕噴頭致污染，過高難克服噴嘴表面張力出墨。通常需匹配噴頭材質接觸角。 |
密度與固含量 | 0.8–1.2 M（視帶隙而定） | 決定幹膜厚度與結晶緻密性 |
工程要點：引入微量流變調節劑/高分子添加劑（如PVP、PEG、PTB7）可適度提粘並構建空間網路，抑制顆粒沉降與咖啡環，但需避免殘留絕緣相影響載流子傳輸6。
4 工藝應用端：濕膜結晶動力學與預結晶技術調控
上海葉爍技術研發中心負責人指出，在實際的工藝應用過程中，即便墨滴沉積均勻，濕膜乾燥過程中的溶劑逸出梯度仍是導致最終固態膜厚不均與鈣鈦礦晶界雜亂的主因。傳統熱板乾燥易因Marangoni Flow引發溶質向邊緣富集（咖啡環效應）。而預結晶技術可以通過暫態抹平鈣鈦礦濕膜溶劑梯度，是抑制咖啡環、提升結晶品質的關鍵工藝。此外，噴墨列印的數位化微區沉積特性使其在匹配預結晶技術時具有先天優勢：微區同步結晶避免了狹縫塗布連續濕膜帶來的鈣鈦礦膜厚與熱傳導不均問題，從而具備極高的面內均勻性，在晶粒尺寸均一性、晶界品質及光電回應一致性上展現出顯著優於狹縫塗布的潛力。
愛旭疊層電池研發團隊選擇基於噴墨路線的這種相容產線大絨面晶矽底電池的技術路線，在葉爍鈣鈦礦專用噴墨設備團隊多年持續的有力支持下，突破了噴墨設備長期穩定運行、大絨面高保形鈣鈦礦膜層沉積製備技術兩大瓶頸難題，快速在全球（2024年)率先實現約30%的轉換效率（有效面積：1 cm2），這意味著這項新技術路線的效率潛力可行性在全球範圍內得到了首次驗證。再次聚焦產業化，噴墨列印技術製備的鈣鈦礦薄膜大面積210*105mm2 SEM觀察顯示，膜層呈毯式覆蓋，保形度高，平均膜厚在 570 nm；晶界清晰、無明顯孔隙。且PL mapping結果顯示，發光強度分佈極為均勻，相對標準差可低至 2–3%。
5 光伏大廠實踐經驗佐證
多位光伏研究人員指出，對於絨面結構的矽底電池，狹縫塗布結合預結晶工藝雖然能提升結晶速率，但難以解決金字塔穀底的積液乾燥不均問題，導致PL mapping在金字塔陣列處出現規律性暗斑。愛旭與上海葉爍噴墨在工藝開發中發現，採用噴墨列印結合毫秒級預結晶的方案，由於液滴對絨面的自我調整填充與同步結晶特性，可以有效消除了上述暗斑；多個光伏研究團隊已確認，基於噴墨列印大面積鈣鈦礦層的器件效率，早已達到與狹縫塗布相制衡的地位。2026年，噴墨技術反覆運算不止。
6 結論與展望
噴墨列印技術邁向GW級鈣鈦礦量產的核心，在於打破“設備、材料、工藝”孤立研發的壁壘，構建全鏈路協同閉環。愛旭與上海葉爍的緊密技術協作，打通了從設備主體優勢到墨水材料匹配，再到工藝技術應用的全鏈路閉環。這一“設備——材料——工藝”一體化解決方案，為鈣鈦礦/晶矽疊層電池量產元件的高精度規模化製備提供了堅實可靠的技術底座。
參考文獻
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