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电流退火制备钙钛矿太阳能电池电流退火，太阳能电池，钙钛矿。

应用领域

光伏发电领域

成果简介

钙钛矿薄膜质量对钙钛矿太阳能电池的性能有重要影响，通过薄膜制备工艺的优化，可以有效改善钙钛矿薄膜质量。我们研究室设计了一种新型的退火方法——电流退火，主要设计思想是利用基底中现成的 FTO 形成电流回路，产生焦耳热，从而实现对上面 的钙钛矿薄膜的快速加热退火。它与传统热退火相比，所需时间短(仅需 5 s)，能耗低，而且退火更加均匀。

电流退火装置图 把两个条形电极夹在钙钛矿/SnO2/FTO玻璃基底的两条对边上，电极与钙钛矿薄膜之间通过铜网直接接触。当施加电压之后，由于焦耳热的产生，基底的温度会升高，钙钛矿薄膜的颜色也会逐渐变黑，均匀生成钙钛矿相。由于加热源 FTO与钙钛矿薄膜的距离只有几十纳米量级，因此电流退火加热的速度要比热台退火快得多，大功率的电流退火过程仅仅需要5 s。同时快速均匀的电流退火过程有助于提高钙钛矿薄膜的质量，从而改善器件性能。 XRD晶型测量表明电流退火制备的薄膜具有和热台退火制备的薄膜相同的晶型结构，电流退火的薄膜衍射峰强度增大，衍射峰的半高全宽(FWHM)变小。钙钛矿薄膜中单晶尺寸D由公式FWHM= λ / (D*cos θ)给出，其中λ = 1.5418 Å 为入射光Cu的 Kα射线波长，θ = 14.1°/ 2 为入射角。经过计算电流退火的钙钛矿单晶尺寸比热台退火的钙钛矿单晶尺寸增加40%。更高的衍射峰强度和更大的单晶尺寸都说明了电流退火下制备的钙钛矿薄膜具有更好的结晶性。时间分辨的荧光光谱的测量表明电流退火可以有效减少多晶薄膜中缺陷。 基于电流退火下钙钛矿薄膜良好的特性，我们制备了钙钛矿太阳能电池器件，器件的结构为 FTO/SnO2/MAPbI3/spiro-OMeTAD/Au。相对于基于常规热台退火的参比器件，平均光电转换效率，短路电流密度、 开路电压、填充因子具有提升。我们将器件性能提升的原因归结于钙钛矿薄膜质量的提升:由于大功率的快 速电流退火下制备的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒和更少的针孔，钙钛矿层中的缺陷态更少，导致器件的漏电流减小，从而改善器件性能。非封装器件在相同的外部环境情况下，电流退火器件的稳定性稍微高于热台退火器件。 基于电流退火下钙钛矿薄膜和器件的性能改善，我们进一步将电流退火方法进行了扩展。使用电流退火技术处理了电子传输层 SnO2层。电流退火方法在没极大地节约了工艺时间和能源消耗，对以后的钙钛矿太阳能电池的工业化量产具有借鉴意义。

总结

电流退火技术的优点：电流退火方法置简单；加热比较迅速，电流退火只需要 5 s。将原本电子传输层和钙钛矿层的两次分别退火简化为一次电流退火，极大地减少了工艺时间和能源消耗，适用于大面积器件高效制备。电流退火有助于钙钛矿从下往上有序结晶，消除下层溶剂挥发对上层已结晶钙钛矿的破坏，钙钛矿薄膜质量的提升有助于减少器件中的载流子复合和漏电流，有利于钙钛矿薄膜的均一性。

经济效益与社会效益

钙钛矿太阳能电池的制备过程极大影响其特性，且更决定其价格，大面积钙钛矿的制备非常重要，钙钛矿电池可用于多种交通工具及室外用品，如无人机，无人船，野外帐篷，屋顶等，也可以用于携带器件，柔性电池的推广及应用将产生巨大经济效益与社会效益。