Advanced Energy Materials:单色光致选择性退火钙钛矿薄膜 —— 快速制备钙钛矿太阳能电池

自2009年诞生以来,钙钛矿型太阳能电池的光电转化效率从3.8%一路飙升至25.2%。对比其它单结太阳能电池,钙钛矿型太阳能电池以其简单的结构和惊人的发展速度成为众多科研工作者关注的研究热点。与目前占统治地位的硅光伏技术相比,钙钛矿型太阳能电池可以使用低温溶液涂布工艺制备,因而拥有超低生产成本以及可印刷在柔性材料表面的前景。

钙钛矿型太阳能电池目前主要依赖于传统的热传导退火技术来获取高质量的钙钛矿活性层薄膜。此种退火方式看似技术门槛低,简单易用,其实暗藏几项致命缺陷。首先,热传导退火过程冗长,一次操作通常在十分钟以上。这种长时间的退火绝对无法与众所期望的卷对卷打印的生产方式对接,将直接阻碍钙钛矿型太阳能电池的大规模低成本生产。第二,热传导退火无法保证大面积薄膜制备过程中能量供应的分布均匀性,从而造成同批次内太阳能电池性能的巨大差异。最后也是最致命的一点,热传导退火对所有已存在的材料层进行无差别的能量供应,即各层温度相同。除钙钛矿活性层以外,目前流行的钙钛矿结构普遍具有电子传输层和空穴传输层,每一层的材料不同因而需要不同的能量以达到最佳光学和电学性能。无差别的热传导退火不可能同时兼顾到所有层,必然导致无法精确控制甚至损害某些层的性质。

美国阿拉巴马大学电子与计算机工程系李大文教授课题组采用发光二极管产生的近单色紫外光对甲胺铅碘薄膜(MAPbI3)进行退火,一举解决了热传导退火所带来的上述问题。首先,此次研究的单色光退火可以在十秒左右实现器件级别的甲胺铅碘薄膜,相较作为对比组的热传导退火耗时三十分钟,单色光退火所获得的太阳能电池效率更高。在性能提升(超过27%)的同时,时间成本大幅降低。第二,这种单色光退火的能量源是发光二极管,可以精确的控制能量的输出大小和时间。在大面积制备钙钛矿薄膜时,发光二极管可以设计成发光阵列输出,能量供应的分布均匀性可以保证。最后,单色光退火可以实现选择性退火指定的目标层薄膜,这是其它退火方式(包括热传导退火)无法做到的。单色光退火的原理是不同材料的光吸收系数在不同波长达到最大,因此可以通过对单色光波长的选取,实现选择性退火指定的目标层薄膜而不影响其它各层材料。值得一提的是,在热传导退火中能量传递不可控且损失严重。相比之下,单色光致选择性退火几乎可以做到将提供的能量全部用于目标层薄膜的结晶生长,达到近乎百分之百的能量利用率。这种选择性退火还带来一项额外收获,即估算目标薄膜从前驱体状态转化为器件级别钙钛矿结构所需能量。这一能量值可以视为材料的基本参数之一,它的确定有助于产业界正确评估钙钛矿型太阳能电池的生产成本。

研究者相信,单色光致选择性退火在甲胺铅碘上的成功将激发研究者对光子能量于薄膜结晶的兴趣。这种高效退火方式将会被应用于其它铅卤型钙钛矿材料,从而为钙钛矿型太阳能电池从实验室到大规模量产打开新局面。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201902898)上。