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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(jì)錄

來源：清華大學(xué)      2023-02-01
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼課題組通過真空蒸發(fā)鉛鹽和有機(jī)銨鹽溶液處理相結(jié)合（簡稱“ES”）的方法，實(shí)現(xiàn)了高度可重復(fù)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(zhuǎn)換效率為24%的世界最高紀(jì)錄。
鈣鈦礦太陽能電池具有光電性能優(yōu)異、成本低廉、加工簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊的應(yīng)用前景的光伏技術(shù)。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(qū)體溶液化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室常用的溶液旋涂法在可重復(fù)性和大面積制備方面都難以滿足規(guī)模化生產(chǎn)的要求。真空蒸鍍技術(shù)可以大面積均勻制備薄膜，但有機(jī)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(rèn)證效率紀(jì)錄進(jìn)展、真空蒸發(fā)&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(jié)合真空蒸發(fā)法和溶液法的優(yōu)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(yīng)轉(zhuǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)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(huán)境對(duì)沉積過程的影響，可以重復(fù)地制備高質(zhì)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(dǎo)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(fù)性。進(jìn)一步的薄膜表征和原位測試表明，和溶液法對(duì)比，真空蒸發(fā)&溶液組合方法表現(xiàn)出更優(yōu)的結(jié)晶反應(yīng)機(jī)理，該方法制備的碘化鉛和鈣鈦礦薄膜均表現(xiàn)出更好的形貌結(jié)構(gòu)和結(jié)晶質(zhì)量。特別是在大面積尺度上，真空蒸發(fā)&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(xiàn)出優(yōu)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(zhuǎn)換效率為24.3%（認(rèn)證效率23.9%），在大面積（1cm2）上為24.0%（認(rèn)證效率23.7%），實(shí)現(xiàn)了大面積（1cm2）鈣鈦礦電池的效率新紀(jì)錄。在此基礎(chǔ)上，作者還制備了小鈣鈦礦模組，實(shí)現(xiàn)了16cm2全面積20%的效率。同時(shí)，器件在一個(gè)太陽光下運(yùn)行1000小時(shí)后保持其初始效率的90%，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)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(yīng)機(jī)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(yōu)異的可重復(fù)性，為鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用提供了一條有前景的途徑。該成果以“真空蒸發(fā)和溶液法結(jié)合實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)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(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)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(jí)博士生譚理國、2018級(jí)博士生周俊杰、博士后趙興，合作者包括國家納米科學(xué)中心丁黎明研究員，瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)沃爾夫?qū)ぬ乩姿梗╓olfgang Tress）博士和瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)邁克爾·格蘭澤爾（Michael Graetzel）教授。工作得到了國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目、電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研等項(xiàng)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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