Solar RRL:基于甲胺气体的钙钛矿薄膜的合成和修复技术的发展及展望

近年来,钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电转化性能受到人们广泛地关注与研究。在实验室平台上,传统的钙钛矿薄膜成膜工艺(例如溶剂工程法和两步沉积法等)已经成功制备出了高质量的小面积钙钛矿薄膜,并由此获得了优异的光电器件。但是在大面积薄膜制备方面,这些传统工艺因其自身存在一定的局限性,难以制备出高均匀性的钙钛矿薄膜,从而影响了大面积器件的光电转化性能。因此,对于钙钛矿太阳能电池,除了效率和稳定性两个方面外,实现高质量钙钛矿薄膜的大面积制备也是其实现商业化应用所要解决的重要问题。

钙钛矿太阳能电池器件的发展伴随着薄膜制备工艺的不断优化创新,在钙钛矿薄膜成分、结晶质量和薄膜平整度等方面较发展初期已有很大程度的提升,其小面积器件效率已接近晶硅电池的水平,展现出较好的商业化应用前景。人们已开始尝试大面积甚至连续化的制备方法,如刮涂、喷涂、印刷等技术。然而由于钙钛矿前驱液的各向异性析出生长特性,给形貌的控制方面带来了极大的困难。

中科院青岛生物能源与过程研究所逄淑平、崔光磊研究员等开发出了一种基于甲胺气体的后修复技术,使钙钛矿初始膜经历一种奇特的固体-液体-固体的可逆转变过程,吸收甲胺气体后得到的可流动的中间相赋予该技术超强的薄膜自修复能力,能够高效地修复钙钛矿薄膜的孔洞缺陷,并提高钙钛矿薄膜的晶格取向性。

Solar RRL1

基于甲胺气体对钙钛矿材料的作用现象,研究人员相继开发了多种钙钛矿材料的固-气合成新途径,例如将甲胺气体分子直接引入到反应前驱体溶液中。有工作证明,这种固-气反应制备的钙钛矿薄膜显示出更好的稳定性。另外,该技术也被应用于制备钙钛矿量子点以及作为气致变色等方面的应用。

目前世界上已有多个课题组甚至公司开始尝试该气体修复技术,在薄膜的均匀性方面均得到了极大程度的提升,已证明初级薄膜的形貌对最终薄膜的平整度影响不大。因此该技术与常规涂布设备如狭缝涂布技术结合后,可以实现超大面积甚至连续化的薄膜制备。

但由于钙钛矿材料可逆的吸收和释放甲胺气体均在瞬间完成,制约了常规表征手段对该过程深层次机理的研究,也进而影响到进一步的工艺优化和性能提高,在机理方面仍需要进行深入探索。目前已充分证明的是吸收的甲胺分子的量对其修复后薄膜的质量有着至关重要的影响,因此对中间过程气压、气流和温湿度的控制将是该修复技术成功与否的关键。

文中综述了气体工艺在钙钛矿太阳能电池以及其他相关领域的发展、应用的实例以及目前的挑战,包括机理的研究和大面积制备工艺的优化及推广等,并且对今后的发展提出了展望。相关论文发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700076 )上。