上海叶烁数字喷墨与爱旭股份联合技术攻关 ——喷墨打印钙钛矿薄膜均匀性精准调控

摘要 钙钛矿/晶硅叠层电池的大面积均匀制备一直是制约光伏企业迈向产业化的核心技术难题之一。基于此，上海叶烁喷墨与爱旭联合提出“设备–材料–工艺”三位一体的协同优化范式。在设备端，基于上海叶烁的高可靠性墨路系统，及对墨滴喷射行为的智能化管控，实现了皮升级墨滴体积变异系数（CV）< 3%的精准管控；在材料端，通过构建溶剂挥发动力学体系模型，精准匹配喷头流变窗口（Z≈2–6），有效抑制咖啡环效应；在工艺端，引入毫秒级预结晶技术瞬时抹平湿膜溶剂梯度，诱导微区同步成核。爱旭叠层电池研发团队选择基于喷墨路线兼容产线大绒面晶硅底电池的技术路线，突破了喷墨设备长期稳定运行、大绒面高保形钙钛矿膜层沉积制备技术两大瓶颈难题。快速在全球（2024年）率先实现约30%的转换效率（有效面积：1 cm2），这意味着这项新技术路线的效率潜力在全球范围内得到了首次验证。目光转向产业化，大面积210*105mm2钙钛矿膜层的光致发光图像（PL mapping）相对标准差低至2.4%，这一结果不仅突破了大面积钙钛矿成膜的均匀性瓶颈，更为数字化喷墨打印技术从实验室迈向高效光伏量产线提供了坚实的实证支撑。

1 引言

       在钙钛矿/晶硅叠层电池的产业化进程中，晶硅底电池表面的金字塔绒面结构对上层成膜工艺提出了严峻挑战。传统狭缝涂布技术受限于液桥稳定性，难以在绒面上实现高质量的保形化覆盖，常因“悬桥效应”导致针孔缺陷，或因边缘毛细效应引发严重的边缘溢出，从而大大缩减了有效发电面积并增加了材料损耗。相比之下，喷墨打印技术凭借其数字化喷射与对“虚拟边框”的控制能力，不仅能精准补偿金字塔形貌起伏，实现亚微米级的厚度均一性，更能从源头上抑制边缘厚边缺陷，为大尺寸、高效率叠层组件的精密制造提供了可行的技术路径。上海叶烁喷墨与爱旭联合聚焦设备—工艺耦合优化这一核心路径，对钙钛矿/晶硅叠层电池中钙钛矿光吸收层的均匀性规模化制备展开系统研究。

2 设备硬件端

2.1高可靠性喷头和墨路控制系统

       喷墨打印头和墨路控制系统是决定墨滴体积精度（CV值）、落点准确度及长期稳定性的核心。钙钛矿前驱液通常含有DMF、DMSO等强极性溶剂，且可能含有不溶的纳米颗粒，对喷射稳定性极其敏感。因此，喷头和墨路控制系统必须首先围绕“耐腐蚀、稳定可靠”两方面展开。上海叶烁依托多年在喷印技术领域的深厚积累，为爱旭叠层电池研发团队专门设计开发了适合钙钛矿材料的喷墨打印头和墨路控制系统——高鲁棒性的耐腐喷印体系，解决了客户在钙钛矿层墨水材料在喷印技术应用中遇到的喷头腐蚀和墨路不稳定难题。

2.2喷射行为管控

       喷墨打印的膜厚均一性，可追溯到每一个墨滴体积、速度与落点的一致性——这正是设备端“精准投递”能力的体现。因此，喷射行为管控不仅是电信号的控制，更是对流体力学行为的主动干预。上海叶烁喷墨技术研发中心面对钙钛矿前驱液DMF/DMSO体系复杂的流变特性，主动从喷射行为管控方面入手，通过解构压电陶瓷的机电耦合响应，建立了“波形参数—墨滴动力学”的映射模型。利用微秒级时序控制，系统在液滴形成初期即施加反向阻尼波，抵消表面张力引起的振荡，从而获得形态圆整、速度恒定的理想墨滴。这种从源头上消除“坏滴”的策略，使得喷射稳定性不再单纯依赖墨水的配方妥协，而是通过设备端的智能化波形补偿得以实现。

 

                             图1. 液滴成像品质关键参数。体积、速度以及角度一致性误差<3%

 

3 墨水材料端

       上海叶烁与爱旭在喷墨打印钙钛矿技术研发工作中，共同意识到“墨水工程（Ink Engineering）”是决定膜厚均匀性、结晶质量与设备喷射稳定性的前置核心环节。它并非简单的溶质溶解，而是对溶剂体系、流变学参数、胶体稳定性及添加剂化学的系统化调控，以匹配压电喷头的“微滴生成—飞行—铺展—结晶”全链路物理过程。

3.1 溶剂体系工程：挥发动力学与配位调控

        钙钛矿前驱液通常以 DMF、DMSO、NMP 等高沸点强极性溶剂为主，但单一溶剂难以兼顾喷射与结晶需求，需通过混合溶剂策略实现工程平衡。溶剂体系工程一般从如下几个方面展开：

(1） 强配位溶剂（DMSO/NMP）：与Pb²⁺形成中间络合物（如PbI₂–DMSO），稳定前驱体、延缓结晶，利  于大晶粒生长，但挥发过慢易导致湿膜流淌与组分偏析1。

(2） 弱配位/低沸点溶剂（DMF/GBL/ACN）：调节挥发速率，缩短成膜窗口，但过快易致过早成核、针孔与咖啡环效应2。

(3） 绿色溶剂替代（GVL/DMI）：为降低DMF/DMSO毒性，引入γ-戊内酯（GVL）、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮（DMI）等环保高沸点溶剂，研究显示GVL+DMSO体系可在空气中实现>17%效率且薄膜均匀性达96%以上3。

(4） 梯度挥发体系：通过高/低沸点溶剂比例调控马兰戈尼流（Marangoni flow），抑制毛细管流导致的溶质边缘富集（咖啡环），如引入酯类或呋喃类调节表面张力梯度。

 

 

                图2. 钙钛矿前驱液溶剂体系常用溶剂的沸点、蒸气压及配位能力与挥发动力学调控示意图

图注：墨滴在基板上铺展过程中，不同溶剂组分的梯度逸出路径，以及由此诱导的 Marangoni 流方向（黄色箭头）对溶质输运的调控作用。该图旨在说明多组分溶剂设计如何通过挥发动力学匹配，抑制咖啡环效应并促进致密结晶。

       以下是对梯度挥发体系的解读。以三元溶剂体系（2ME/DMF/NMP = 3:7:0.14 v/v）为例4，沸点与蒸气压共同刻画溶剂的挥发行为：蒸气压反映特定温度下分子逃逸的热力学倾向，直接决定常温及中温干燥阶段的失重速率；沸点则标志该溶剂在常压下剧烈气化的临界温度，预示其在预结晶或高温退火段何时从“缓慢扩散”切换为“爆发式脱除”。多组分墨水中，低沸高蒸气压组分（如 ACN、2ME）充当快挥发触发剂，在湿膜铺展期快速建立温度/表面张力梯度以激活内向 Marangoni Flow；高沸低蒸气压组分（如 DMSO、NMP）则在后期作为配位稳相剂延缓结晶、填补晶粒间隙。二者通过 Clausius–Clapeyron（克拉-佩龙方程）关系耦合，共同定义钙钛矿前驱体溶剂的“挥发动力学窗口”。

3.2 流变学调控：可打印性窗口

        上海叶烁喷墨技术研发中心提出，喷墨打印要求墨水具备严格的牛顿流体特性或弱剪切变稀行为，关键流变参数需落在喷头可稳定喷射的“Z值（Ohnesorge number）窗口”内（通常 Z ≈ 1–10）5。

参数	典型适配范围（压电喷墨）	调控目的与影响
粘度（η）	2–15 mPa·s（常用 5–12 mPa·s）	过低易产生卫星滴、漏墨；过高致喷射无力、颈缩断裂失败。可通过固含量、聚合物添加剂调节。
表面张力（γ）	28–45 mN/m	决定液滴断裂效率与基板润湿性；过低润湿喷头致污染，过高难克服喷嘴表面张力出墨。通常需匹配喷头材质接触角。
密度与固含量	0.8–1.2 M（视带隙而定）	决定干膜厚度与结晶致密性

工程要点：引入微量流变调节剂/高分子添加剂（如PVP、PEG、PTB7）可适度提粘并构建空间网络，抑制颗粒沉降与咖啡环，但需避免残留绝缘相影响载流子传输6。

         图3. 钙钛矿前驱液喷印Z 值窗口与墨滴形态映射：当 Z ≈ 2–6 时，钙钛矿墨滴呈理想球形、无卫星滴

 

4 工艺应用端：湿膜结晶动力学与预结晶技术调控

       上海叶烁技术研发中心负责人指出，在实际的工艺应用过程中，即便墨滴沉积均匀，湿膜干燥过程中的溶剂逸出梯度仍是导致最终固态膜厚不均与钙钛矿晶界杂乱的主因。传统热板干燥易因Marangoni Flow引发溶质向边缘富集（咖啡环效应）。而预结晶技术可以通过瞬时抹平钙钛矿湿膜溶剂梯度，是抑制咖啡环、提升结晶质量的关键工艺。此外，喷墨打印的数字化微区沉积特性使其在匹配预结晶技术时具有先天优势：微区同步结晶避免了狭缝涂布连续湿膜带来的钙钛矿膜厚与热传导不均问题，从而具备极高的面内均匀性，在晶粒尺寸均一性、晶界质量及光电响应一致性上展现出显著优于狭缝涂布的潜力。

 

 

 

 

图4. (a) 喷墨打印钙钛矿薄膜SEM表面形貌; (b) 截面膜厚及高度保形特征；（c）210mm*105mm2钙钛矿薄膜PL mapping图

       爱旭叠层电池研发团队选择基于喷墨路线的这种兼容产线大绒面晶硅底电池的技术路线，在叶烁钙钛矿专用喷墨设备团队多年持续的有力支持下，突破了喷墨设备长期稳定运行、大绒面高保形钙钛矿膜层沉积制备技术两大瓶颈难题，快速在全球（2024年)率先实现约30%的转换效率（有效面积：1 cm2），这意味着这项新技术路线的效率潜力可行性在全球范围内得到了首次验证。再次聚焦产业化，喷墨打印技术制备的钙钛矿薄膜大面积210*105mm2 SEM观察显示，膜层呈毯式覆盖，保形度高，平均膜厚在 570 nm；晶界清晰、无明显孔隙。且PL mapping结果显示，发光强度分布极为均匀，相对标准差可低至 2–3%。

5 光伏大厂实践经验佐证

       多位光伏研究人员指出，对于绒面结构的硅底电池，狭缝涂布结合预结晶工艺虽然能提升结晶速率，但难以解决金字塔谷底的积液干燥不均问题，导致PL mapping在金字塔阵列处出现规律性暗斑。爱旭与上海叶烁喷墨在工艺开发中发现，采用喷墨打印结合毫秒级预结晶的方案，由于液滴对绒面的自适应填充与同步结晶特性，可以有效消除了上述暗斑；多个光伏研究团队已确认，基于喷墨打印大面积钙钛矿层的器件效率，早已达到与狭缝涂布相制衡的地位。2026年，喷墨技术迭代不止。

6 结论与展望

       喷墨打印技术迈向GW级钙钛矿量产的核心，在于打破“设备、材料、工艺”孤立研发的壁垒，构建全链路协同闭环。爱旭与上海叶烁的紧密技术协作，打通了从设备主体优势到墨水材料匹配，再到工艺技术应用的全链路闭环。这一“设备——材料——工艺”一体化解决方案，为钙钛矿/晶硅叠层电池量产组件的高精度规模化制备提供了坚实可靠的技术底座。

更多突破，正在发生，敬请期待。

  ——上海叶烁喷墨敬上

参考文献

(1) 20.8% Slot‐Die Coated MAPbI3 Perovskite Solar Cells by Optimal DMSO‐Content and Age of 2‐ME Based Precursor Inks. https://doi.org/10.1002/aenm.202003460.2020

(2) Yuan, L.; Chen, X.; Guo, X.; Huang, S.; Wu, X.; Shen, Y.; Gu, H.; Chen, Y.; Zeng, G.; Egelhaaf, H.-J.; Brabec, C. J.; Yang, F.; Li, Y.; Li, Y. Volatile Perovskite Precursor Ink Enables Window Printing of Phase‐Pure FAPbI3 Perovskite Solar Cells and Modules in Ambient Atmosphere. 2023. https://doi.org/10.1002/anie.202316954.

(3) Vitthal Satale, V.; Beng Lee, H.; Tyagi, B.; Mayaji Ovhal, M.; Chowdhury, S.; Mohamed, A.; Kim, D.-H.; Kang, J.-W. Ink Engineering Using 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone Solvent for Efficient Inkjet-Printed Triple-Cationic Perovskite Solar Cells. Chem. Eng. J. 2024, 493, 152541. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152541.

(4) Jiang, Z.; Ren, F.; Zhou, Q.; Wang, B.; Sun, Z.; Li, M.; Zhao, Z.; Liu, Z.; Chen, W. Solvent Engineering for Scalable Fabrication of High-Quality Formamidinium Cesium-Based Perovskite Films Toward Highly Efficient and Stable Solar Modules. Adv. Energy Mater. 2025, 15 (28), 2500598. https://doi.org/10.1002/aenm.202500598.

(5) Derby, B. Inkjet Printing of Functional and Structural Materials: Fluid Property Requirements, Feature Stability, and Resolution. Annu. Rev. Mater. Res. 2010, 40 (Volume 40, 2010), 395–414. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070909-104502.

(6) Shi, S.; Gong, C.; Tao, M.; Wang, C.; Fan, B.; Yuan, H.; Hu, H.; Niazi, M. B. K.; Yan, X.; Hu, X.; Chen, Y. Mechanically Interlocked Polymer Scaffolds Enable High-Efficiency Printed Flexible Perovskite Photovoltaics. Nat. Synth. 2026, 5 (2), 209–220. https://doi.org/10.1038/s44160-025-00904-6.

 

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