最新Science：液体介质退火技术制备钙钛矿太阳能电池

【引言】

半导体的溶液加工是一种有前途的方法，可以制造出具有成本效益的电子和光电产品。最近，基于溶液工艺的金属卤化物钙钛矿已被证明具有电子和光电子特性，适用于各种器件的应用，特别是光伏（PV）。这些钙钛矿在短短十年的研究中已经达到了25.5%的功率转换效率（PCE），因此被认为是下一代光伏有希望的候选材料。为了促进钙钛矿半导体的商业化，必须开发出具有足够可重复性的可扩展溶液工艺。研究应该从空间角度扩展对晶体质量的研究，旨在任何气氛下精确控制整个薄膜的钙钛矿结晶动力学。然而，要实现这一目标将有很大的困难。首先，钙钛矿的形成包括刘易斯酸和碱之间的反应，即使在低温下也会快速自发发生。其次，实际使用的卤化物钙钛矿往往是混合物，其中不同的成分在薄膜生长过程中表现出不同的反应性和扩散性。此外，前体反应物对水分和普通溶剂很敏感，这导致加工条件的每一次轻微变化都会产生相当大的差异。另外，高质量的晶体钙钛矿薄膜通常具有较大的晶粒尺寸，根据LaMer模型，这是通过延缓成核和促进晶体生长实现的。几种方法已成功地应用于降低成核速率，有效地影响了结晶动力学。此外，较高的退火温度和/或延长的退火时间可以通过增加晶体生长速率或诱导再结晶过程来增加钙钛矿的结晶度。然而，经常发现由于挥发组份损失引起的一致缺陷，并伴随着薄膜在更大面积上的不均匀性。此外，加工气氛的局部波动导致薄膜的质量不同，因此可重复性差。因此，开发一种简单、可控、有效的退火技术来满足可扩展和可重复制造的要求是一项挑战。

 【成果简介】

今日，在北京大学周欢萍研究员和北京理工大学陈棋教授团队等人带领下，报告了一种液体介质退火（LMA）技术，它创造了一个强大的化学环境和恒定的加热场来调节整个薄膜的晶体生长。该方法生产的薄膜具有高结晶度、较少的缺陷、理想的化学计量和整体薄膜的均匀性。由此产生的钙钛矿太阳能电池（PSCs）产生了24.04%的稳定功率输出（认证为23.7%，0.08 cm2），并运行2000小时后保持95%的初始功率转换效率（PCE）。此外，1 cm2的PSCs表现出23.15%的稳定功率输出（认证的PCE为22.3%），并在运行1120小时后保持其初始PCE的90%，这说明了其可扩展制造的可行性。LMA耐候性较强，生产的器件全年的性能变化可以忽略不计。因此，该方法以可扩展和可重复的方式为提高钙钛矿薄膜和光伏器件的质量开辟了一条新的有效途径。相关成果以题为“Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility”发表在了Science。

【图文导读】

图1 LMA工艺示意图

图2 Ref和LMA工艺下钙钛矿的结晶动力学

图3 FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBrz薄膜在Ref和LMA工艺下的均匀性和缺陷行为

图4 FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBrz基PSCs的光电性能和稳定性

文献链接：Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility（Science，2021，DOI:10.1126/science.abh3884）