作者:周欢萍等 来源:《科学》 发布时间:2021/8/2 12:45:25
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中国科学家实现钙钛矿太阳能电池的全天候可重复制备

 

2021年7月30日,北京大学周欢萍团队与北京理工大学陈棋团队合作,在国际学术期刊Science上发表了一篇题为“Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility”的新研究。

他们开发了一种简单的钙钛矿薄膜退火工艺——液相介质退火,该工艺为高质量、组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径。北京大学周欢萍,北京理工大学陈棋为本文共同通讯作者,北京大学李能旭,北京理工大学牛秀秀为本文共同第一作者。

近年来,基于有机-无机杂化钙钛矿的光电器件(如太阳能电池,发光二极管,光电探测器等)取得了飞速的发展,其原料成本低廉,加工工艺简单。其中,钙钛矿多晶薄膜通常由溶液法制备获得,主要包括在基底上涂布前驱体溶液(如旋涂,刮涂等方法)和湿膜的退火。

钙钛矿薄膜的结晶质量对于器件性能的影响至关重要。调控钙钛矿前驱体溶液的化学状态以及涂布工艺,可以控制晶体的成核生长动力学行为,进而大幅度提升了薄膜的结晶质量。然而钙钛矿薄膜生长过程易受环境因素影响(如湿度,有机氛围浓度等不可控因素),同时材料本身在退火条件下反应活性高(如热分解反应,氧化还原反应等),因此传统工艺很难制备成分和相态均一的大面积薄膜,且工艺可重复性差,这限制了其产业化制备的进程。

针对这一问题,我们开发了一种简单的钙钛矿薄膜退火工艺——液相介质退火。如图1所示,将事先沉积好的湿膜浸没于特定温度的液相介质中退火,即可得到高质量的钙钛矿薄膜。该“液相介质”不仅提供了均匀的热场促进钙钛矿薄膜的均匀生长,还构筑了稳定的化学环境有效限制钙钛矿生长过程中的副反应。这一方法为可重复的制备高质量,组分相态空间分布均一的钙钛矿薄膜提供了解决方案。

图1:钙钛矿薄膜在液相介质中退火的流程及机理示意图

有别于传统工艺在空气或氮气中直接退火,液相介质退火及器件制备有以下几个优势:

1)液相介质提供了均一的温场,由此实现钙钛矿薄膜的全方位均匀加热。传统退火只有“自下而上”的单一传热模式,传热方向与薄膜结晶生长方向不一致,且传热速度慢;而在该新的退火工艺中,当湿膜接触到液相介质后便迅速开始全方向的传热,特别是“自上而下”传热使得薄膜在短时间内达到退火温度。因此,液相介质退火制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸大,结晶度高,为高质量薄膜的可重复制备奠定了基础(如图2)。

图2 钙钛矿薄膜在传统退火模式下的热场分布(A)和表面形貌(B),以及在液相介质退火下的热场分布(C)和表面形貌(D)

2)液相介质阻隔了钙钛矿与外界环境的接触,有效抑制了水、氧等分子与钙钛矿的反应,也避免有机氛围对钙钛矿结晶过程的影响。此外,液相介质构筑的“屏障”,能够抑制气相组分的挥发,从而抑制钙钛矿在高温下的热分解,保持组分的化学计量比。由此得到的钙钛薄膜缺陷更少,组分相态更均一,为高质量大面积薄膜制备提供了有一种的思路。

3)液相介质退火工艺显著降低了钙钛矿器件制备对环境的依赖性。在一年四季不同的环境条件下(湿度与温度),液相介质退火工艺制备的电池效率分布窄,平均效率达23%。而传统退火工艺制备的电池效率对环境敏感(冬天为22%以上,夏天仅19%)。该方法为全天候可重复的产业化生产奠定了基础。

液相介质退火使得钙钛矿薄膜具有更均一的光电性质,大面积与小面积的电池效率差异显著降低。目前,小面积器件(0.08 cm2)实现了24.04%的稳态输出效率,认证值为23.7%。而大面积器件(1 cm2)实现了23.15%的稳态输出效率,认证效率为22.3%,超过目前该面积下所有公开报道的第三方认证效率。该方法有望进一步推广至大面积电池模组的制备。

图3:液相介质退火制备的小面积(A)与大面积(B)钙钛矿太阳能电池J-V曲线以及稳态效率;传统退火(Ref)与液相介质退火(LMA)得到的大小面积电池效率差异对比(C);一年四季不同退火条件下得到的器件性能统计(D)。

基于上述结果,我们认为这种液相介质退火工艺为高质量,组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径,可以广泛应用于不同组分(如三维铅基、锡铅混合、二维等)钙钛矿光电器件(如太阳能电池、发光二极管等)的制备。(来源:科学网)

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.abh3884

 
 
 
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