《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Deformed aspheric light guide with enclosed cavity for high-efficiency and precise flash lamp annealing: Monte Carlo Modeling and multi-lamp optimization
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摘要闪灯退火（FLA）以脉冲氙灯作为宽带辐射光源，能够在亚秒时间内对薄膜进行选择性加热，同时保护对温度敏感的基底，使其在钙钛矿太阳能电池、硅异质结光伏和柔性电子领域颇具吸引力。然而，氙灯固有的发散辐射导致能量沉积不均匀，限制了大面积加工过程中的精确能量传递和高效能量利用。商业
摘要
闪灯退火（FLA）以脉冲氙灯作为宽带辐射光源，能够在亚秒时间内对薄膜进行选择性加热，同时保护对温度敏感的基底，使其在钙钛矿太阳能电池、硅异质结光伏和柔性电子领域颇具吸引力。然而，氙灯固有的发散辐射导致能量沉积不均匀，限制了大面积加工过程中的精确能量传递和高效能量利用。商业光学仿真工具虽然精确，但存在成本高、依赖CAD以及批处理优化自动化程度有限等问题。在此，我们提出一种紧凑的光学系统，将封闭式反射腔与变形非球面透镜相结合，以更好地控制灯的发射发散角并改善能量沉积。我们开发了一种无需外部CAD输入的自定义蒙特卡洛光子传输模型，该模型纳入了随机发射几何结构和宽带光谱特性。首先进行实验验证，以确认光源模型配置的合理性。通过商业光线追踪软件LightTools进行代码间比较来验证该模型，在所有测试配置中平均相对误差保持在8.3%以下，同时将计算时间缩短了约5倍。进一步对多灯配置在能量沉积和空间集中度方面进行了优化，消除了双灯系统中的光束分裂现象，并在三灯配置（30–80–80毫米）中恢复了稳定的能量沉积。总体而言，本研究为精确高效的FLA提供了一个计算高效的框架。
引言
全球向可再生能源的转型对薄膜器件制造的成本、通量和材料兼容性提出了严格要求。钙钛矿太阳能电池（PSCs）、硅异质结（SHJ）电池和有机光伏（OPVs）等技术需要对薄膜结晶、掺杂剂激活和界面钝化进行精确控制。这些过程传统上通过炉管退火或快速热退火（RTA）来完成，该方法将整个器件堆叠体加热至数百摄氏度，持续数分钟至数小时[1]、[2]。此类条件消耗大量能源，并存在损坏聚合物基底、促进层间扩散和降解亚稳相的风险。
使用脉冲氙灯的闪灯退火（FLA）通过一种根本不同的机制解决了这些局限性。毫秒级宽谱光脉冲被薄膜选择性吸收，使薄膜达到目标温度，同时基底保持接近环境温度[1]、[3]。这种选择性薄膜加热范式已在多个光伏平台上得到验证。
对于钙钛矿太阳能电池，基于近红外卤素灯照射的闪红外退火（FIRA）能够在约1.6秒内实现多阳离子钙钛矿薄膜的结晶，光电转换效率（PCE）超过20%，同时与传统反溶剂处理相比，将生命周期环境影响降低至约8%[4]。通过两步脉冲加热序列实现的梯度闪退火（GFA）能够在环境湿度超过60%的条件下，在10秒内将MAPbI?器件性能从9.27%提升至11.75%[5]。更快的热升速率（高达48 °C s?1）与晶粒尺寸增大、Urbach能量降低（20.4 meV）以及器件稳定性提高相关[6]。在柔性钙钛矿太阳能电池中，聚合物兼容基底上的亚20毫秒光子固化能够同时加工NiO?空穴传输层和钙钛矿吸收层，获得光电转换效率为11.7%的器件[7]、[8]。扩展到无铅Cs?Bi?I?体系表明，快速光子退火能够在12秒内形成有功能吸收层，在柔性器件架构中达到1.17%的光电转换效率[9]。
对于硅薄膜光伏，FLA诱导织构玻璃上多晶硅的结晶，通过爆炸结晶动力学实现可控相变，从而获得开路电压高达0.45 V的背接触硅异质结器件[10]、[11]、[12]、[13]。对于有机光伏，在PM6:Y6器件中对PEDOT:PSS和SnO?等电荷提取层进行FLA加工，所达到的性能与传统热台退火相当甚至略高，同时显著降低了热预算和能耗[14]。
尽管取得了这些进展，一个关键的障碍仍然存在。氙灯固有的发散辐射导致样品表面的辐射能量沉积在空间上不均匀，限制了FLA期间能量传递的精确度和效率[15]。随着照射面积的增加，这种空间不均匀性逐渐加剧，损害了大面积能源器件制造的过程均匀性、生产率和可靠性。更严重的是，由此产生的非均匀热载荷在加工材料内部诱发了高度不均匀的热机械应力，导致翘曲、局部裂纹，在严重情况下会导致灾难性的材料失效[16]、[17]。因此，准确预测空间能量沉积分布，以及采用能够减轻脉冲氙灯固有光束发散并实现辐射能量传递精确控制的光学策略，对于推动FLA向高精度制造和更广泛的工业应用发展至关重要。
然而，现有的辐射能量预测工具在应用于大规模参数探索和系统级优化任务时仍面临局限性。因此，开发针对特定物理问题的高度自动化仿真框架具有重要意义，为FLA系统的系统化设计和优化提供科学工具。同时，许多现有FLA系统采用相对简单的光学架构，无法有效控制脉冲氙灯固有的发散辐射，从而限制了高精度FLA所需的辐射能量传递的精确调节[18]、[19]。近年来，变形非球面透镜在成像应用中表现出操控发散光场的优越能力[26]、[27]，为控制复杂发散辐射提供了一种有前景的设计策略。因此，将变形非球面透镜引入FLA系统可能为改善能量沉积的空间调节提供一种有效方法。此外，FLA系统中的多灯配置很少被系统地研究，多个光源引入的额外不确定性需要进一步探索。鉴于光源排布在决定辐射效率、能量沉积均匀性和整体系统紧凑性方面的关键作用，其在包含复杂导光结构的紧凑反射腔内的影响仍知之甚少。因此，填补这些知识空白对于建立紧凑FLA系统的合理设计原则并促进其更广泛的工业部署至关重要。
为应对这些相互关联的挑战——包括由于脉冲氙灯固有发散而无法实现精细控制的辐射能量传递、现有FLA架构的局限性以及传统仿真流程的低效率和自动化程度不足——本研究提出三项主要贡献。首先，我们开发了一种自定义蒙特卡洛辐射传输模型，将随机角度发射分布与宽带光谱特性（400–1200纳米）相结合，能够在不依赖外部CAD软件的情况下准确预测空间能量沉积分布。该模型支持完全自动化的批处理执行，精度与LightTools相当，同时将计算时间缩短至约五分之一，并通过实验验证了光源配置。其次，我们提出一种由全封闭式反射腔与变形非球面透镜组成的系统，该系统有效约束和重塑了氙灯的发散辐射，从而实现了改进的能量整形能力并减少了传播过程中的光束畸变。第三，我们建立了双灯和三灯配置的系统化优化策略，这些策略在抑制光束分裂效应的同时，提高了能量利用效率并增加了平均热通量密度。总体而言，该框架为先进能源器件制造中实现高精度、高效闪灯退火提供了一条实用且高效的路径。
章节片段
变形非球面导光几何模型
如图1所示，该系统由三个主要部件组成：脉冲氙灯光源、全封闭式反射腔和变形非球面透镜。光源的半径 R 为3毫米，长度 L 为55毫米。反射腔的长度 CL 为81毫米，半径 CR 为7毫米。变形非球面透镜的宽度 LW 为8毫米，长度 LL 为40毫米，高度 LH 为25毫米。上下非球面由以下方程定义。对于上表面，
光源模型配置的验证
脉冲氙灯的发光机制与传统石英卤素光源有根本性差异[21]。作为一种气体放电光源，其发光过程始于灯管内窄预电离通道的形成，如图3(d)所示。在施加的高压电场下，该预电离通道为后续放电过程提供了低电阻导电通路。电容器中存储的能量随后
结论
本工作提出了一种集成的光学结构设计与仿真框架，用于在脉冲氙灯退火中实现精确的能量沉积和更高的能量利用效率。变形非球面透镜与封闭式反射腔的耦合抑制了氙灯发射的固有发散，与传统半圆形腔体设计相比，减小了光子入射角及其离散度。通过与一
CRediT作者贡献声明
姜新宇：撰写——初稿、可视化、方法论、形式化分析、概念化。邹佳宇：撰写——初稿、软件、方法论、调查研究、数据整理。李东：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。陈斌：可视化、软件、形式化分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到陕西省重点研发计划（2024QY2-GJHX-41）和国家重点研发计划（2024YFF0505800）的支持。作者对此表示衷心感谢。
Xinyu Jiang|Jiayu Zou|Dong Li|Bin Chen
