北大鄒德春教授Adv. Sci.:磁控濺射制備鈣鈦礦薄膜和高效平面異質結太陽能電池
【引言】
金屬鹵化物鈣鈦礦(ABX3,其中A是有機陽離子,B是金屬陽離子,X是鹵化物離子)具有高吸收系數和極好的電荷載流子遷移率,已廣泛應用于光伏技術,并且鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率已經從3.8%上升到 25.5%。同時,制備高質量的鈣鈦礦薄膜,減少鈣鈦礦層內部和層接觸處的電荷復合損失,對所得太陽能電池的性能起著重要作用,近年來引起了極大的關注。盡管在效率和穩定性方面取得了巨大進步,但鈣鈦礦太陽能電池在實際應用中仍面臨穩定性的挑戰。磁控濺射作為一種成熟的薄膜制備技術,已被廣泛用于制備金屬,金屬氧化物和半導體薄膜,在制備PSCs方面具有很大的應用潛力。此外,高效PSCs是否可以從實驗室制備轉變為商業規模的高通量生產,同時將效率損失降至最低至關重要。雖然已有鈣鈦礦薄膜的制備研究,但無法實現無溶液,長連續和穩定沉積。更加具體來說,在原材料,無毒溶劑和設備簡單的情況下,制備高質量和大面積的鈣鈦礦薄膜仍然是商業和工業應用中的最大挑戰。
近日,北京大學鄒德春教授(通訊作者)提出了一種獨特的技術,通過磁控濺射制備了高質量鈣鈦礦薄膜,實現成分可控,無溶劑,大面積和批量生產。該策略通過磁控濺射和后處理(用碘化甲烷氣體和甲胺氣體處理的蒸氣輔助處理)將鈣鈦礦材料從粉末轉變為薄膜,這對制備串聯太陽能電池非常有利。實驗結果表明,通過磁控濺射制備的鈣鈦礦薄膜PSCs的功率轉換效率 (PCE) 為6.14%。經過優化,獲得了具有優異電子性能的高性能鈣鈦礦薄膜,并實現了具有優異重復性的穩定PSC,其PCE高達15.22%。這種全新的合成方法開辟了一種新的和有前途的方法,在平面異質結和串聯PSC的商業應用中的大面積生產中實現高通量磁控濺射。相關研究成果以“Organic-Inorganic Perovskite Films and Efficient Planar?Heterojunction Solar Cells by Magnetron Sputtering”為題發表在Adv. Sci.上。
【圖文導讀】
圖一、材料合成及表征
(a)通過濺射和后處理工藝制備鈣鈦礦的策略;
(b)鈣鈦礦粉;
(c)鈣鈦礦靶;
(d)磁控濺射鈣鈦礦薄膜;
(e)磁控濺射和后處理的鈣鈦礦薄膜;
(f)PSC的橫截面SEM圖像。
圖二、磁控濺射制備鈣鈦礦薄膜的微觀結構和性能表征
(a)MSMAPbI3-A,MSMAPbI3-V和MSMAPbI3-P薄膜的XRD圖譜;
(b-f)SMMAPbI3薄膜,SMMAPbI3-MA薄膜,MSMAPbI3-A薄膜,MSMAPbI3-V 薄膜和MSMAPbI3-P薄膜的SEM圖像;
(g)鈣鈦礦薄膜的晶體生長機理;
(h)SMMAPbI3-MA, MSMAPbI3和MSMAPbI3-P薄膜的紫外-吸收光譜;
(i)SMMAPbI3-MA, MSMAPbI3-V和MSMAPbI3-P薄膜的穩態光致發光 (PL) 光譜;
(j)SMMAPbI3-MA,MSMAPbI3-V和MSMAPbI3-P薄膜的PL圖譜。
圖三、鈣鈦礦太陽能電池性能
(a)基于MSMAPbI3-P和SMMAPbI3-MA的太陽能電池性能;
(b)30個設備的性能分布;
(c)光電轉化效率(IPCE)圖譜。
圖四、MAPbI3-xClx薄膜的性質
(a)鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜;
(b)MSMAPbI3-xClx-P,SMMAPbI3-xClx和SMMAPbI3-xClx-MA薄膜的紫外-吸收光譜;
(c)MSMAPbI3-xClx-P,SMMAPbI3-xClx和SMMAPbI3-xClx-MA薄膜的穩態PL圖譜;
(d-f)MSMAPbI3-xClx-P,SMMAPbI3-xClx和SMMAPbI3-xClx-MA薄膜的SEM圖像。
圖五、鈣鈦礦太陽能電池的性能
(a)基于MSMAPbI3-xClx-P-,SMMAPbI3-xClx-和SMMAPbI3-xClx-MA的太陽能電池的性能;
(b)30臺設備的性能分布;
(c)光電轉化效率(IPCE)圖譜;
(d)在氮氣氣氛和15-25℃溫度下儲存的無封裝PSC的PCE演變。
【小結】
綜上所述,本文證明了通過磁控濺射技術能夠無溶液制備具有鈣鈦礦活性層的PSCs,可以將鈣鈦礦材料從粉末轉變為高性能太陽能電池的薄膜。使用這種策略可以在幾分鐘內制備出極其均勻和致密的鈣鈦礦薄膜。本研究不僅探討了通過磁控濺射MSMAPbI3成膜的詳細條件,也證明了引入Cl可以進一步將器件的 PCE提高15%以上。這種改進是一種全新的合成方法能夠制備具有可控成分,無溶劑制備,大規模和大面積生產的鈣鈦礦薄膜。這種通過磁控濺射制備鈣鈦礦薄膜的新方法為PSCs的工業化生產開辟了一種新的和有前途的途徑。
文獻鏈接:“Organic-Inorganic Perovskite Films and Efficient Planar?Heterojunction Solar Cells by Magnetron Sputtering”(Adv. Sci.,2021,10.1002/advs.202102081)
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