光學退火輔助鋼筆書寫製備鈣鈦礦太陽能電池

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光學退火輔助鋼筆書寫製備鈣鈦礦太陽能電池電流退火，太陽能電池，鈣鈦礦。

目錄

應用領域

光伏發電領域。

成果簡介

鈣鈦礦太陽能電池具有高效、低成本的優點，在近年來得到了迅速的發展。自2009年首次被報道以來，鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率從3.8%迅速提高到25.8%，其低廉的成本和方便的製備工藝與商業化生產的需求非常匹配。然而，目前報道的鈣鈦礦電池的記錄大多採用旋塗法，這種製備方法用於在實驗室中製備小面積薄膜的時，易獲得光滑、均勻、高質量的膜。然而小面積器件難以投入實際使用，旋塗方法又難以應用於商業化大面積的生產。我們借鑑鋼筆書寫的原理，設計了一種雙刀片狹縫塗布「書寫」鈣鈦礦薄膜的方法。可在「鋼筆」上附加退火光源，實現塗膜和退火一次性完成，可滿足未來商業化大面積的流水線生產的需求。 如圖一所示，將濾紙置於雙層刀片組成的刮刀內含的狹縫中間，用於連接鈣鈦礦前驅液儲存槽和待塗布的基板。當以一定的速率牽引刮刀時，前驅液即被均勻地塗布在基板上，並在低壓輔助處理和退火後，獲得均勻、高質量的鈣鈦礦薄膜。濾紙與雙刀片這種類似於鋼筆結構的引入一方面可以大大降低所需前驅液的濃度，減少鈣鈦礦前驅液在製備過程中的浪費，另一方面可以輔助「書寫」出更加平整均勻的薄膜，提高薄膜質量。類似於書寫過程，通過自由地調整狹縫寬度、刀片牽引速率和前驅體濃度等塗布參數，可以調製製備的薄膜的性質，進一步優化器件性能。

在退火過程中，考慮到傳統的熱台退火法製備出的鈣鈦礦太陽能電池存在持續光照性能衰減，且薄膜存在大量缺陷態，可以將光照引入鈣鈦礦薄膜的結晶過程，用光照退火來製備鈣鈦礦薄膜。選取紫外光源同時為鈣鈦礦薄膜的結晶提供熱能和活化能，不僅滿足了結晶過程所需的熱效應，同時也提供了高能光子來激發被捕獲的載流子，釋放空間電荷，減少薄膜的缺陷，增加其結晶質量。此外，由於此方法為無接觸式退火，具有光照輻照面積大且均勻的特點，能夠實現工業化生產大面積薄膜的均勻退火要求。

利用雙刀片狹縫塗布方法製備大面積鈣鈦礦，可以製備最佳效率達到19.7%的MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池。該方法中，所用的前驅液濃度（最優條件下為0.4 mol/L）大大低於傳統的旋塗法所用的濃度（通常≥1mol/L），且製備時間短（牽引速率為7.5 mm/s），製備過程簡便易控制，所得器件效率可以與傳統旋塗方法相比擬，適用於未來商業化大面積的流水線生產，此外，將光照退火與熱台退火方法相比，發現光退火法得到的薄膜在晶粒內部有更清晰、有序的晶疇，結晶更為緻密取向性更好。退火10 min後，MAPbI3器件的平均效率從17.25%上升到19.52%，且缺陷態密度減少50%、光照穩定性提升2倍以上。

總結

光退火和雙刀片狹縫塗布相結合的製備工藝可滿足未來商業化大面積的流水線生產的需求，且在普通的刮塗方法的基礎上，進一步改善了製備工藝，減少了前驅液損失，提高了薄膜質量和穩定性，是一種適用於大規模生產的高效率太陽能電池的先進工藝。

經濟效益與社會效益

鈣鈦礦太陽能電池的製備過程極大影響其特性，且更決定其價格，大面積鈣鈦礦的製備非常重要，鈣鈦礦電池可用於多種交通工具及室外用品，如無人機，無人船，野外帳篷，屋頂等，也可以用於攜帶器件，柔性電池的推廣及應用將產生巨大經濟效益與社會效益。