Advanced Materials:大面积高通量技术制备高效率钙钛矿太阳能电池及大面积电池组件

短短十几年内,钙钛矿太阳电池的转换效率迅速超过了25%,因其高吸收系数、低缺陷密度、长载流子扩散长度等优势持续吸引了广大研究者的关注。但在产业化和商品化的进程中依然阻力重重,大面积钙钛矿太阳电池的效率过低是其中的主要制约因素之一。近日,中国科学院大连化学物理研究所杜敏永、刘生忠、王开博士和陕西师范大学冯江山教授等合作采用狭缝涂布制备方法,结合高压氮气萃取(high pressure nitrogen-extraction)和离子液体界面钝化技术,针对大面积钙钛矿太阳能电池的制备开展了深入的研究。最终,在小面积电池和大面积钙钛矿电池上分别取得了22.7%(0.09 cm2)和19.6%(7.92 cm2)的转换效率。

狭缝涂布技术具有成本低、高通量、连续性好等优点,其能够精确地控制液流量、涂布速度,是当前钙钛矿太阳能电池领域最具有产业化前景的沉积技术之一。但该技术的挑战之处在于如何控制大面积薄膜均匀性(厚度约500nm)和降低薄膜的缺陷密度。另外,提高均匀性,降低薄膜表面的缺陷是成功制备高效率大面积钙钛矿器件的关键。针对上述问题,大连化物所和陕西师范大学团队合作开发了高压氮气萃取和离子液体界面钝化技术结合狭缝涂布沉积法制备大面积电池组件。首先,狭缝涂布设备将钙钛矿溶液均匀涂布在衬底表面。随后,进行高压氮气萃取。该技术是指采用风刀等将高压力氮气作用在湿膜表面,实现钙钛矿溶剂的快速挥发。该技术可以有效调控钙钛矿薄膜的形核和晶粒生长,并驱动稳定中间相的形成,从而沉积制备出均匀致密的钙钛矿薄膜。实验表明,该技术有效拓宽了制备工艺窗口,提高了器件良率。最后,在制备好的钙钛矿薄膜表面通过旋涂、刮涂等方法沉积离子液体进行表面钝化,并随后制备空穴传输层和电极形成器件。理论模拟表明,该团队采用的[M4N]BF4离子液体可以和薄膜表面的不饱和铅结合形成更强的离子键,有效减少钙钛矿薄膜表面的碘空位缺陷,该技术有效减少钙钛矿表面的缺陷,显著提升了器件效率。基于狭缝涂布这一大面积钙钛矿薄膜制备技术,结合高压氮气萃取和离子界面钝化技术成功制备了高效大面积电池组件。其中,小面积(0.09 cm2)太阳电池的效率提高至22.7%,这是采用大面积制备技术的制备的钙钛矿电池的最高电池效率。在40×40 mm2衬底上制备的大面积(7.92 cm2)电池组件的效率达到19.6%。这是迄今为止大面积钙钛矿电池组件的最高转换效率。

该研究表明,结合高压氮气萃取和离子液体界面钝化技术的狭缝涂布印刷是一种高效率、宽窗口、低成本、可扩展面积的钙钛矿太阳电池制备技术。该技术对促进狭缝涂布沉积工艺的发展,推动该技术在大批量卷到卷连续沉积中的应用具有重要意义。研究者相信,该技术有利于推动大面积钙钛矿电池组件的研究制备。 相关的研究成果在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202004979)上。