北大周歡萍組AFM：從小面積到大尺寸組件-鈣鈦礦薄膜的制備

發表時間：2025-02-20 11:15

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鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率、低成本以及廣泛的應用潛力，成為光伏領域的研究熱點，并有望在未來光伏市場中占據重要地位。然而，大面積鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率（PCE）和穩定性仍無法滿足工業化要求，主要與大面積鈣鈦礦薄膜的質量不理想有關。

北京大學材料科學與工程學院周歡萍教授帶領其團隊，在該領域展開了深入研究。在本文中首先剖析了致使小面積與大面積鈣鈦礦薄膜質量出現差異的因素，涵蓋溶劑蒸發過程、反應動力學以及結晶動力學等。正是這些因素，使得大面積鈣鈦礦薄膜在形貌、成分、相態、晶體尺寸與取向等方面呈現出顯著的不均勻性，*終對其光電性能及穩定性產生負面影響。針對不同的可擴展制備工藝，溶劑系統依據其揮發性、溶解性以及與鈣鈦礦的配位能力進行了定制。

此外，團隊還引入了多種添加劑，以進一步調控表面張力變化和中間相演變。在溶液法制備鈣鈦礦薄膜的過程中，放大難題尤為突出。文中對比了刮涂法、狹縫涂布法和噴霧涂布法等大面積制備方法與旋涂法的不同。隨后，依據成核與晶體生長的經典理論，周歡萍教授團隊對可擴展方法與旋涂法在實驗室小面積器件及大面積器件制備方面的差異展開了分析。

其主要區別在于：其一，在可擴展技術中，溶劑蒸發速率更為緩慢，進而引發成核延遲；其二，晶體生長過程更多地依賴于反應而非擴散，致使晶粒生長呈現出不規則狀態。文章亦回顧了近期團隊旨在改善液膜流動、調控鈣鈦礦成核與結晶所進行的嘗試，諸如采用氣刀輔助、基板加熱，以及混合揮發性與配位性溶劑等手段。這些“溶劑定制”策略通過調控鈣鈦礦晶體的成核和生長動力學，有效降低了缺陷密度并優化了晶體取向，從而提升了薄膜質量。要實現大面積、均勻且高質量的鈣鈦礦薄膜，需要針對不同的大面積制備技術優化溶劑體系和鈣鈦礦成分。

此外，文章還探討了不同添加劑和界面修飾對薄膜形成過程中熱力學、晶體生長和缺陷鈍化的影響。商業領域中大面積鈣鈦礦器件所面臨的主要挑戰聚焦于光電轉換效率（PCE）與穩定性方面。為了降低成本并提高競爭力，未來的研究需要解決以下問題：

**，當前大規模鈣鈦礦太陽能模塊（PSMs）的效率仍落后于晶體硅模塊。例如，面積達13177平方厘米的鈣鈦礦太陽能模塊，其效率僅為24.4%。從實驗室規模到大面積生產的過渡是關鍵。周歡萍教授團隊認為，鑒于反應與擴散過程極為劇烈，致使晶體質量的控制難度大幅增加，因此需要更好地理解大規模生產中溶液到固相成核和晶體生長的機制。不受控的結晶現象會致使鈣鈦礦薄膜產生小晶粒、光活性相純度低、取向不佳以及表面不平整等問題。切實有效的應對策略是引入適宜的電子供體或受體，以此來調控AX和BX?組分之間的反應速率。

第二，借助溶液涂覆方式制備的大面積鈣鈦礦太陽能模塊（PSMs），因鈣鈦礦層不均勻，致使產率較低，尤其是在米級規格的制備過程中。盡管真空蒸發、兩步涂覆等替代技術正處于探索階段，但這些技術依然面臨產率低下的問題。真空蒸發法規避了有機溶劑的使用，對制備均勻且穩定的鈣鈦礦薄膜具有一定優勢，然而，由于該方法缺乏中間相轉變以及奧斯特瓦爾德熟化過程，進而導致所生成的晶粒較小，晶體質量欠佳。兩步法通過先涂覆PbX?模板，隨后沉積AX陽離子層，將薄膜形成階段與反應階段予以分離，這一舉措顯著提升了薄膜的均勻性，不過，該方法也面臨著反應不完全以及雙層沉積工藝復雜度提升等問題。這些技術仍有待進一步深入發展與完善。

第三，鈣鈦礦太陽能電池（PSM）難以通過國際太陽能光伏標準（ISOS）的檢驗，無法滿足商業穩定性要求。周歡萍教授團隊指出需要進一步探索并優化穩定的功能層以及封裝技術。首要的是，研發更為穩定的鈣鈦礦組件與功能層至關重要。以制備高質量的FAPbI?薄膜為例，其能夠緩解高溫環境下的揮發性問題以及光照條件下的相分離問題。在倒置器件中，屏障層BCP已被穩定性更高的SnO?層所替代。其次，封裝技術可有效保護器件免受水和氧氣的侵蝕。舉例來說，玻璃 - 玻璃封裝搭配彈性密封劑以及邊緣密封技術，顯著提升了封裝后鈣鈦礦器件的穩定性。然而，封裝過程通常需在140 - 150°C的高溫環境下進行，這對部分功能層的熱穩定性構成了嚴峻挑戰。故而，還需進一步深入研究，以優化大面積鈣鈦礦太陽能模塊（PSM）的封裝材料與工藝。

綜上所述，鈣鈦礦太陽能電池在商業化推進過程中，核心挑戰涵蓋大面積薄膜的均勻性、晶體質量的可控性，以及實現器件效率與穩定性的同步提升。周歡萍教授團隊通過對溶劑體系、添加劑和界面修飾進行優化，以及研發更為穩定的功能層和封裝技術等系列研究，為解決這些關鍵問題提供了重要的思路與方向，有望有力推動鈣鈦礦太陽能電池的工業化進程，助力其更快地實現商業化突破。