两步沉积法制备太阳能电池用钙钛矿薄膜的研究现状

太阳能电池发电是太阳能利用的重要方式,然而目前主要的硅基和薄膜太阳能电池存在的生产工艺复杂、成本高等问题,很大程度上制约了其商业化范围。为此开发新型、高效、工艺简单和成本低的太阳能电池一直是研究的重点和热点。最近几年,基于钙钛矿薄膜的太阳能电池的研究和发展受到非常广泛的关注,转换效率从2009年的3.8%快速提高到现在的22.1%,这在太阳能电池发展历史上是前所未有的。转换效率的快速提高源于钙钛矿材料的优异光电化学性质,如易调节的禁带宽度、高光吸收系数、长的载流子扩散长度等等。此外,高转换效率的钙钛矿薄膜可以通过简单的溶液法获得,这很大程度上简化了电池的制备工艺,并明显降低生产成本。

作为太阳能电池的核心组成,钙钛矿薄膜的质量决定着电池的光电转换性能。目前很多方法都已经被开发并用于制备钙钛矿薄膜,其中两步沉积法是最为重要的方法之一。整体上两步沉积法制备钙钛矿薄膜包括两个过程:前驱体(如PbI2)沉积和前驱体转化(如CH3NH3I溶液)为钙钛矿。由于前驱体沉积和转化过程都具有较好的可控性,因此两步沉积法制备的钙钛矿薄膜质量较为稳定、重复性高。基于以上特点,两步沉积法自首次报道以来,就受到了广泛的关注。而且已发展出多种改进后的两步沉积法,使钙钛矿薄膜质量和电池转换效率(超过20%)得到了不断的提高。

AFM-chenhaining

近期,北京航空航天大学材料学院的陈海宁副教授对钙钛矿薄膜两步沉积法的研究现状进行了全面的综述。首先,该综述对转化过程的主要反应机制进行了总结,主要包括:原位转化机制和溶解再结晶机制。其次,该综述分别对两个步骤(前驱体沉积和转化过程)进行了系统性介绍。前驱体沉积方面涉及沉积技术、前驱体结构和前驱体组成;而转化过程方面涉及转化技术、转化溶液组成和大晶体转化过程。最后,该综述对两步沉积法存在的问题进行了阐述,包括:成分可控制性差、大面沉积技术有待开发、转化反应机制研究不足,以及缺少稳定性和重复性的针对性研究,并对各个问题提出了相应的解决方案。

该综述性工作不仅可以研究者对两步沉积法在各方面的研究现状有个全面了解,同时可以较为深入的理解转化过程的相关机制,并了解两步沉积法目前存在的问题和可能的研究方向,这将为今后研究开发高性能的钙钛矿太阳能电池提供重要指导。论文在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201605654)上。