中国科学家实现钙钛矿太阳能电池的全天候可重复制备。 2021年7月30日，北京大学周欢萍团队与北京理工大学陈棋团队合作，在国际学术期刊上发表了一篇题为liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility的新研究。
他们开发了一种简单的钙钛矿薄膜退火工艺——液相介质退火，该工艺为高质量、组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径。北京大学周欢萍，北京理工大学陈棋为本文共同通讯作者，北京大学李能旭，北京理工大学牛秀秀为本文共同第一作者。
近年来，基于有机-无机杂化钙钛矿的光电器件（如太阳能电池，发光二极管，光电探测器等）取得了飞速的发展，其原料成本低廉，加工工艺简单。其中，钙钛矿多晶薄膜通常由溶液法制备获得，主要包括在基底上涂布前驱体溶液（如旋涂，刮涂等方法）和湿膜的退火。
钙钛矿薄膜的结晶质量对于器件性能的影响至关重要。调控钙钛矿前驱体溶液的化学状态以及涂布工艺，可以控制晶体的成核生长动力学行为，进而大幅度提升了薄膜的结晶质量。然而钙钛矿薄膜生长过程易受环境因素影响（如湿度，有机氛围浓度等不可控因素），同时材料本身在退火条件下反应活性高（如热分解反应，氧化还原反应等），因此传统工艺很难制备成分和相态均一的大面积薄膜，且工艺可重复性差，这限制了其产业化制备的进程。
针对这一问题，我们开发了一种简单的钙钛矿薄膜退火工艺——液相介质退火。如图1所示，将事先沉积好的湿膜浸没于特定温度的液相介质中退火，即可得到高质量的钙钛矿薄膜。该液相介质不仅提供了均匀的热场促进钙钛矿薄膜的均匀生长，还构筑了稳定的化学环境有效限制钙钛矿生长过程中的副反应。这一方法为可重复的制备高质量，组分相态空间分布均一的钙钛矿薄膜提供了凯发天生赢家一触即发官网的解决方案。
图1：钙钛矿薄膜在液相介质中退火的流程及机理示意图
有别于传统工艺在空气或氮气中直接退火，液相介质退火及器件制备有以下几个优势：
1）液相介质提供了均一的温场，由此实现钙钛矿薄膜的全方位均匀加热。传统退火只有自下而上的单一传热模式，传热方向与薄膜结晶生长方向不一致，且传热速度慢；而在该新的退火工艺中，当湿膜接触到液相介质后便迅速开始全方向的传热,特别是自上而下传热使得薄膜在短时间内达到退火温度。因此，液相介质退火制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸大，结晶度高，为高质量薄膜的可重复制备奠定了基础（如图2）。
图2 钙钛矿薄膜在传统退火模式下的热场分布（a）和表面形貌（b），以及在液相介质退火下的热场分布（c）和表面形貌（d）
2）液相介质阻隔了钙钛矿与外界环境的接触，有效抑制了水、氧等分子与钙钛矿的反应，也避免有机氛围对钙钛矿结晶过程的影响。此外，液相介质构筑的屏障，能够抑制气相组分的挥发，从而抑制钙钛矿在高温下的热分解，保持组分的化学计量比。由此得到的钙钛薄膜缺陷更少，组分相态更均一，为高质量大面积薄膜制备提供了有一种的思路。
3）液相介质退火工艺显著降低了钙钛矿器件制备对环境的依赖性。在一年四季不同的环境条件下（湿度与温度），液相介质退火工艺制备的电池效率分布窄，平均效率达23%。而传统退火工艺制备的电池效率对环境敏感（冬天为22%以上，夏天仅19%）。该方法为全天候可重复的产业化生产奠定了基础。
液相介质退火使得钙钛矿薄膜具有更均一的光电性质，大面积与小面积的电池效率差异显著降低。目前，小面积器件（0.08 cm2）实现了24.04%的稳态输出效率，认证值为23.7%。而大面积器件（1 cm2）实现了23.15%的稳态输出效率，认证效率为22.3%，超过目前该面积下所有公开报道的第三方认证效率。该方法有望进一步推广至大面积电池模组的制备。
图3：液相介质退火制备的小面积（a）与大面积（b）钙钛矿太阳能电池j-v曲线以及稳态效率；传统退火（ref）与液相介质退火（lma）得到的大小面积电池效率差异对比（c）；一年四季不同退火条件下得到的器件性能统计（d）。
基于上述结果，我们认为这种液相介质退火工艺为高质量，组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径，可以广泛应用于不同组分（如三维铅基、锡铅混合、二维等）钙钛矿光电器件（如太阳能电池、发光二极管等）的制备。（来源：科学网）
相关论文信息：doi: 10.1126/.abh3884
作者：周欢萍等 来源：《科学》
