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Adv. Mater.：清華陳誼課題組取得鈣鈦礦太陽能電池新紀錄

來源：清華大學      2023-02-01
導讀：近日，清華大學電機系易陳誼課題組通過真空蒸發鉛鹽和有機銨鹽溶液處理相結合（簡稱“ES”）的方法，實現了高度可重復的高效率鈣鈦礦太陽能電池的制備，并在大面積（1cm2）器件上取得了光電轉換效率為24%的世界最高紀錄。
鈣鈦礦太陽能電池具有光電性能優異、成本低廉、加工簡單等優點，是一種具有廣闊的應用前景的光伏技術。目前高效率的鈣鈦礦太陽能電池大多是由溶液旋涂法（簡稱“SS”）制備的，然而鈣鈦礦前驅體溶液化學性質復雜，實驗室常用的溶液旋涂法在可重復性和大面積制備方面都難以滿足規模化生產的要求。真空蒸鍍技術可以大面積均勻制備薄膜，但有機鹵化銨的高蒸氣壓使得蒸鍍沉積鈣鈦礦的過程難以控制。

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1cm2大面積鈣鈦礦太陽能電池認證效率紀錄進展、真空蒸發&溶液（ES）組合工藝制備薄膜和全溶液法（SS）制備的薄膜表征
在本研究中，作者結合真空蒸發法和溶液法的優勢，先使用真空蒸鍍沉積制備大面積均勻的碘化鉛模板，再使用鹵化銨溶液和碘化鉛反應轉化，可以實現高度可重復地制備大面積均勻的鈣鈦礦薄膜。一方面，和溶液法制備碘化鉛基底相比，真空蒸鍍制備碘化鉛避免了環境對沉積過程的影響，可以重復地制備高質量大面積碘化鉛模板；另一方面，使用溶液的方式沉積銨鹽，避免了真空蒸鍍方法中銨鹽高蒸氣壓導致的難控制性。因此，這種鈣鈦礦制備過程具有非常良好的可控性和重復性。進一步的薄膜表征和原位測試表明，和溶液法對比，真空蒸發&溶液組合方法表現出更優的結晶反應機理，該方法制備的碘化鉛和鈣鈦礦薄膜均表現出更好的形貌結構和結晶質量。特別是在大面積尺度上，真空蒸發&溶液組合的方法可大幅減少鈣鈦礦薄膜的孔洞和缺陷，有利于大面積器件的制備。
通過該方法制備的鈣鈦礦太陽能電池表現出優異的光電性能和良好的可拓展性，在小面積(0.10cm2)上的功率轉換效率為24.3%（認證效率23.9%），在大面積（1cm2）上為24.0%（認證效率23.7%），實現了大面積（1cm2）鈣鈦礦電池的效率新紀錄。在此基礎上，作者還制備了小鈣鈦礦模組，實現了16cm2全面積20%的效率。同時，器件在一個太陽光下運行1000小時后保持其初始效率的90%，表現出良好的穩定性。

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原位GIWAXS測試表征不同工藝制備鈣鈦礦薄膜反應機理

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不同工藝制備的鈣鈦礦薄膜和器件的光電性能表征
該方法可以制備大面積高效率鈣鈦礦太陽能電池，并且具備優異的可重復性，為鈣鈦礦太陽能電池的大規模應用提供了一條有前景的途徑。該成果以“真空蒸發和溶液法結合實現高度可重復的大面積高效率鈣鈦礦太陽能電池”（Combined vacuum evaporation and solution process for high efficiency large-area perovskite solar cells with exceptional reproducibility）為題發表在國際學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上。論文的通訊作者為易陳誼，共同第一作者為2019級博士生譚理國、2018級博士生周俊杰、博士后趙興，合作者包括國家納米科學中心丁黎明研究員，瑞士蘇黎世應用科技大學沃爾夫岡·特雷斯（Wolfgang Tress）博士和瑞士洛桑聯邦理工大學邁克爾·格蘭澤爾（Michael Graetzel）教授。工作得到了國家自然科學基金、清華大學自主科研項目、電力系統國家重點實驗室自主科研等項目的支持，得到了聚束科技、北京同步輻射1W1A漫散射線站、深圳市立特為智能有限公司的幫助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202205027



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