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Science發(fā)表！北理工“液相介質(zhì)退火”工藝助力鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化制備

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2021-8-06 05:38:42 文/饒?zhí)斐?圖/許靜怡

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永遠跟黨走、奮進新征程

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2021年7月30日，北京理工大學陳棋教授和北京大學周歡萍特聘研究員在Science上發(fā)表文章，Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility，開發(fā)了一種簡單的鈣鈦礦薄膜退火工藝——液相介質(zhì)退火，該工藝為高質(zhì)量、組分空間均一的鈣鈦礦薄膜的全天候可重復制備開辟了新的途徑。

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近年來，基于有機-無機雜化鈣鈦礦的光電器件（如太陽能電池，發(fā)光二極管，光電探測器等）取得了飛速的發(fā)展，其原料成本低廉，加工工藝簡單。其中，鈣鈦礦多晶薄膜通常由溶液法制備獲得，主要包括在基底上涂布前驅(qū)體溶液（如旋涂，刮涂等方法）和濕膜的退火。

鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量對于器件性能的影響至關(guān)重要。調(diào)控鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學狀態(tài)以及涂布工藝，可以控制晶體的成核生長動力學行為，進而大幅度提升了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。然而鈣鈦礦薄膜生長過程易受環(huán)境因素影響（如濕度，有機氛圍濃度等不可控因素），同時材料本身在退火條件下反應(yīng)活性高（如熱分解反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)等），因此傳統(tǒng)工藝很難制備成分和相態(tài)均一的大面積薄膜，且工藝可重復性差，這限制了其產(chǎn)業(yè)化制備的進程。

針對這一問題，我們開發(fā)了一種簡單的鈣鈦礦薄膜退火工藝——液相介質(zhì)退火。如圖1所示，將事先沉積好的濕膜浸沒于特定溫度的液相介質(zhì)中退火，即可得到高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。該“液相介質(zhì)”不僅提供了均勻的熱場促進鈣鈦礦薄膜的均勻生長，還構(gòu)筑了穩(wěn)定的化學環(huán)境有效限制鈣鈦礦生長過程中的副反應(yīng)。這一方法為可重復的制備高質(zhì)量，組分相態(tài)空間分布均一的鈣鈦礦薄膜提供了解決方案。

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圖1：鈣鈦礦薄膜在液相介質(zhì)中退火的流程及機理示意圖

有別于傳統(tǒng)工藝在空氣或氮氣中直接退火，液相介質(zhì)退火及器件制備有以下幾個優(yōu)勢：

1）液相介質(zhì)提供了均一的溫場，由此實現(xiàn)鈣鈦礦薄膜的全方位均勻加熱。傳統(tǒng)退火只有“自下而上”的單一傳熱模式，傳熱方向與薄膜結(jié)晶生長方向不一致，且傳熱速度慢；而在該新的退火工藝中，當濕膜接觸到液相介質(zhì)后便迅速開始全方向的傳熱,特別是“自上而下”傳熱使得薄膜在短時間內(nèi)達到退火溫度。因此，液相介質(zhì)退火制備的鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸大，結(jié)晶度高，為高質(zhì)量薄膜的可重復制備奠定了基礎(chǔ)（如圖2）。

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圖2 鈣鈦礦薄膜在傳統(tǒng)退火模式下的熱場分布（A）和表面形貌（B），以及在液相介質(zhì)退火下的熱場分布（C）和表面形貌（D）

2）液相介質(zhì)阻隔了鈣鈦礦與外界環(huán)境的接觸，有效抑制了水、氧等分子與鈣鈦礦的反應(yīng)，也避免有機氛圍對鈣鈦礦結(jié)晶過程的影響。此外，液相介質(zhì)構(gòu)筑的“屏障”，能夠抑制氣相組分的揮發(fā)，從而抑制鈣鈦礦在高溫下的熱分解，保持組分的化學計量比。由此得到的鈣鈦薄膜缺陷更少，組分相態(tài)更均一，為高質(zhì)量大面積薄膜制備提供了有一種的思路。

3）液相介質(zhì)退火工藝顯著降低了鈣鈦礦器件制備對環(huán)境的依賴性。在一年四季不同的環(huán)境條件下（濕度與溫度），液相介質(zhì)退火工藝制備的電池效率分布窄，平均效率達23%。而傳統(tǒng)退火工藝制備的電池效率對環(huán)境敏感（冬天為22%以上，夏天僅19%）。該方法為全天候可重復的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

液相介質(zhì)退火使得鈣鈦礦薄膜具有更均一的光電性質(zhì)，大面積與小面積的電池效率差異顯著降低。目前，小面積器件（0.08 cm²）實現(xiàn)了24.04%的穩(wěn)態(tài)輸出效率，認證值為23.7%。而大面積器件（1 cm²）實現(xiàn)了23.15%的穩(wěn)態(tài)輸出效率，認證效率為22.3%，超過目前該面積下所有公開報道的第三方認證效率。該方法有望進一步推廣至大面積電池模組的制備。

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圖3：液相介質(zhì)退火制備的小面積（A）與大面積（B）鈣鈦礦太陽能電池J-V曲線以及穩(wěn)態(tài)效率；傳統(tǒng)退火（Ref）與液相介質(zhì)退火（LMA）得到的大小面積電池效率差異對比（C）；一年四季不同退火條件下得到的器件性能統(tǒng)計（D）。

基于上述結(jié)果，我們認為這種液相介質(zhì)退火工藝為高質(zhì)量，組分空間均一的鈣鈦礦薄膜的全天候可重復制備開辟了新的途徑，可以廣泛應(yīng)用于不同組分（如三維鉛基、錫鉛混合、二維等）鈣鈦礦光電器件（如太陽能電池、發(fā)光二極管等）的制備。

相關(guān)論文信息：

DOI: 10.1126/science.abh3884

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快隨官微君一起了解一下

這位優(yōu)秀的青年學者吧

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陳棋

北京理工大學教師

2005年本科畢業(yè)于清華大學化工系，2007年碩士畢業(yè)于清華大學化學系，2012年博士畢業(yè)于加州大學洛杉磯分校(UCLA)材料科學與工程系，隨后以博士后身份在UCLA加州納米研究中心。2016年入職北京理工大學。2019年，入選北京市自然科學基金杰出青年項目。主要從事有機無機雜化及復合材料的開發(fā)與應(yīng)用研究，材料廣泛應(yīng)用于能源、光電信息等器件，如太陽能電池等。迄今發(fā)表論文90余篇，包括Science、Nature Comm.、Joule、J Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等，H-Index 38，總引用超過14000次（Google Scholar），單篇最高他引超過4000次。入選“全球2018科睿唯安‘高被引科學家’名單”。承擔多項國家級項目，包括北京市自然科學基金杰出青年項目，國家科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、北京市科技計劃等。

文獻信息

Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility.

https://science.網(wǎng)址未加載/content/sci/373/6554/561.full.pdf

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