摘要：鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）憑借超高光電轉換效率、低成本溶液加工等優勢，成為第三代光伏技術的核心代表。其性能與穩定性高度依賴鈣鈦礦活性層的結晶質量、薄膜均勻性及缺陷密度。傳統溶液旋涂、兩步沉積等方法存在結晶不可控、缺陷多、均勻性差等瓶頸。閃蒸成膜技術通過快速真空誘導溶劑揮發與晶體生長，為高質量鈣鈦礦薄膜制備提供了全新解決方案。本文結合前沿學術研究，系統闡述閃蒸成膜技術在鈣鈦礦電池中的應用原理、優勢，并重點介紹武漢君為科技有限公司的商用閃蒸成膜儀設備及其在實驗中的實踐價值。

一、鈣鈦礦電池成膜工藝的挑戰與技術需求

鈣鈦礦太陽能電池的核心是具有 ABX?晶體結構的鹵化物鈣鈦礦吸光層（如 MAPbI?、FAPbI?、Cs?FA???PbI???Br?）。該層的結晶度、晶粒尺寸、表面平整度及內部缺陷，直接決定載流子的擴散長度、復合速率，最終影響電池的光電轉換效率（PCE）與穩定性。

當前實驗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：前驅體溶液在高速旋轉下涂覆于基底，溶劑自然揮發結晶。該過程易出現 “咖啡環效應"，導致薄膜厚度不均；同時溶劑揮發速率不可控，易形成針孔、枝晶及大量晶界缺陷，缺陷密度高達 101?–101? cm?3。

兩步沉積法：先沉積 PbI?等無機前驅體，再浸泡于有機鹽溶液反應生成鈣鈦礦。雖結晶度有所提升，但反應動力學難以精準調控，易出現反應不全、組分偏析，且大面積均勻性更難控制。

為突破上述瓶頸，學術界與產業界積極探索新型成膜技術。閃蒸成膜（Flash Evaporation Deposition, FED） 憑借快速、可控、均勻的成膜特性，成為近年來研究熱點，其核心是通過瞬時真空環境加速溶劑揮發，精準調控鈣鈦礦的成核與結晶過程。

二、閃蒸成膜技術的原理與學術研究進展

（一）閃蒸成膜的基本原理

閃蒸成膜技術基于真空輔助快速溶劑抽提與瞬態結晶調控機制。其核心過程為：將旋涂后的鈣鈦礦濕膜快速轉移至密閉真空腔體，通過大功率泵組瞬時降低腔體內壓力（毫秒至秒級達到高真空），使溶劑沸點驟降并快速、均勻揮發；同時可配合精準溫度控制，誘導鈣鈦礦前驅體在可控速率下成核、生長，最終形成致密、均勻、大晶粒的高質量薄膜。

與傳統工藝相比，閃蒸成膜的關鍵優勢在于：溶劑揮發由表面主導轉變為整體均勻抽提，有效抑制 “趨膚效應"（即表面溶劑過快揮發導致內部空洞、缺陷）；結晶過程在非平衡態下快速完成，晶粒尺寸更大、晶界更少，缺陷密度顯著降低。

（二）閃蒸成膜技術的學術研究突破

近年來，多項高水平學術研究驗證了閃蒸成膜技術在提升鈣鈦礦電池性能上的顯著效果：

北京大學團隊（2018）：在《科學通報》發表 “基于閃蒸法制備平面鈣鈦礦光伏器件"，系統驗證閃蒸成膜的可行性。研究采用自主設計的閃蒸裝置，制備 MAPbI?薄膜，晶粒尺寸達微米級，缺陷密度較傳統旋涂法降低一個數量級；基于該薄膜的平面鈣鈦礦電池效率達 19.2%，且 hysteresis（遲滯效應）顯著減小，穩定性提升 30% 以上。

華中科技大學唐江團隊（2026）：針對窄帶隙錫鉛（Sn-Pb）鈣鈦礦的 “趨膚效應" 難題，發展低溫真空閃蒸策略。通過降低表面溶劑抽提速率、平衡內外擴散，將薄膜缺陷密度降低兩個數量級；最終 1 cm2 Sn-Pb 鈣鈦礦電池實現 22.18% 認證效率，為無反溶劑工藝最高紀錄。研究指出，閃蒸技術精準的壓力與溫度控制，是抑制 Sn2?氧化、減少薄膜空洞的核心關鍵。

河北工業大學與昆明理工大學聯合團隊（2025）：創新采用“旋涂 + 真空閃蒸" 協同工藝 ，通過閃蒸成膜儀精準調控溶劑萃取動力學，優化 Cs?.??MA?.??FA?.?PbI?薄膜結晶。該工藝制備的倒置結構鈣鈦礦電池效率連續突破，最高達 26.79%，躋身國際頂尖水平。論文明確提出，閃蒸技術解決了傳統溶液法大面積均勻性差、批次穩定性低的痛點，為產業化放大奠定基礎。

三、武漢君為科技閃蒸成膜儀：實驗室級精準成膜解決方案

（一）設備概況與核心型號

武漢君為科技有限公司作為國內專注于鈣鈦礦光伏實驗設備研發的高新技術企業，其自主研發的JW 系列閃蒸成膜儀已成為高校、科研院所鈣鈦礦實驗室的主流設備之一。該系列針對鈣鈦礦實驗需求深度優化，集成高精度真空、溫度與程序控制系統，核心型號包括JW-160SZ 加熱型閃蒸成膜儀、JW-100DW 低溫閃蒸成膜儀和JW-100SZ常規型閃蒸成膜儀。

（二）核心技術優勢與參數特性

1.極速真空系統，高效溶劑抽提

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

氣流導室與流場優化設計，確保腔體內壓力均勻分布，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控溫，適配常規甲脒基、甲胺基鈣鈦礦高溫結晶需求。

JW-100DW（低溫型）：創新搭載 - 5℃–90℃精準低溫模塊。可有效抑制 Sn-Pb 鈣鈦礦前驅體熱分解，適配 PET、PI 等柔性基底（避免高溫變形），并延緩結晶速率、減少晶界缺陷，為窄帶隙、柔性鈣鈦礦研究提供關鍵支撐。

3.智能程序控制，高實驗重復性

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

真空壓力傳感器實時反饋，恒壓精度達 ±3 Pa，確保批次間薄膜質量高度一致，解決人工操作誤差問題。

4.結構設計適配實驗室場景

腔體采用 304 不銹鋼與鋁合金材質，上蓋設 10 cm 可視化觀察窗，可實時監測成膜過程。

桌面式緊湊設計（外形約 325×285×336 mm），可直接集成于氮氣手套箱內，兼容 ITO 玻璃、柔性基板、小面積組件等多種樣品。

（三）在鈣鈦礦實驗中的典型應用流程

以君為 JW-160SZ 閃蒸成膜儀為例，其標準實驗流程如下：

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

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

閃蒸處理：快速將基底轉移至閃蒸儀腔體，關閉腔蓋啟動程序：10 秒抽至 10 Pa，恒溫 60℃恒壓閃蒸 30 秒。

后續退火：取出薄膜，100–150℃退火 10–15 分鐘，完成鈣鈦礦相轉化。

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。

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

四、總結與展望

閃蒸成膜技術憑借快速、可控、均勻的成膜優勢，已成為突破鈣鈦礦電池效率與穩定性瓶頸的關鍵技術，多項學術研究已證實其在高質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、精準溫控、智能控制為核心優勢，為實驗室研究提供了標準化、高重復性的成膜解決方案，有效推動鈣鈦礦電池從實驗室高效小面積器件向大面積、穩定化組件的研究邁進。

未來，隨著鈣鈦礦產業化進程加速，閃蒸成膜技術將進一步向規模化、卷對卷（R2R）兼容方向發展；而君為科技等設備廠商也將持續優化設備性能，拓展低溫、高壓、氣氛調控等多功能模塊，為鈣鈦礦光伏技術的商業化落地提供更*的裝備支撐。

參考文獻

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