最新Science:液體介質退火技術制備鈣鈦礦太陽能電池


【引言】

半導體的溶液加工是一種有前途的方法,可以制造出具有成本效益的電子和光電產品。最近,基于溶液工藝的金屬鹵化物鈣鈦礦已被證明具有電子和光電子特性,適用于各種器件的應用,特別是光伏(PV)。這些鈣鈦礦在短短十年的研究中已經達到了25.5%的功率轉換效率(PCE),因此被認為是下一代光伏有希望的候選材料。為了促進鈣鈦礦半導體的商業化,必須開發出具有足夠可重復性的可擴展溶液工藝。研究應該從空間角度擴展對晶體質量的研究,旨在任何氣氛下精確控制整個薄膜的鈣鈦礦結晶動力學。然而,要實現這一目標將有很大的困難。首先,鈣鈦礦的形成包括劉易斯酸和堿之間的反應,即使在低溫下也會快速自發發生。其次,實際使用的鹵化物鈣鈦礦往往是混合物,其中不同的成分在薄膜生長過程中表現出不同的反應性和擴散性。此外,前體反應物對水分和普通溶劑很敏感,這導致加工條件的每一次輕微變化都會產生相當大的差異。另外,高質量的晶體鈣鈦礦薄膜通常具有較大的晶粒尺寸,根據LaMer模型,這是通過延緩成核和促進晶體生長實現的。幾種方法已成功地應用于降低成核速率,有效地影響了結晶動力學。此外,較高的退火溫度和/或延長的退火時間可以通過增加晶體生長速率或誘導再結晶過程來增加鈣鈦礦的結晶度。然而,經常發現由于揮發組份損失引起的一致缺陷,并伴隨著薄膜在更大面積上的不均勻性。此外,加工氣氛的局部波動導致薄膜的質量不同,因此可重復性差。因此,開發一種簡單、可控、有效的退火技術來滿足可擴展和可重復制造的要求是一項挑戰。

?【成果簡介】

今日,在北京大學周歡萍研究員北京理工大學陳棋教授團隊等人帶領下,報告了一種液體介質退火(LMA)技術,它創造了一個強大的化學環境和恒定的加熱場來調節整個薄膜的晶體生長。該方法生產的薄膜具有高結晶度、較少的缺陷、理想的化學計量和整體薄膜的均勻性。由此產生的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)產生了24.04%的穩定功率輸出(認證為23.7%,0.08 cm2),并運行2000小時后保持95%的初始功率轉換效率(PCE)。此外,1 cm2的PSCs表現出23.15%的穩定功率輸出(認證的PCE為22.3%),并在運行1120小時后保持其初始PCE的90%,這說明了其可擴展制造的可行性。LMA耐候性較強,生產的器件全年的性能變化可以忽略不計。因此,該方法以可擴展和可重復的方式為提高鈣鈦礦薄膜和光伏器件的質量開辟了一條新的有效途徑。相關成果以題為“Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility”發表在了Science

【圖文導讀】

圖1?LMA工藝示意圖

2 Ref和LMA工藝下鈣鈦礦的結晶動力學

3?FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBrz薄膜在Ref和LMA工藝下的均勻性和缺陷行為

4?FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBrzPSCs的光電性能和穩定性

文獻鏈接:Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility(Science,2021,DOI:10.1126/science.abh3884)

本文由木文韜翻譯,材料牛整理編輯。

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