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半導(dǎo)體的溶液處理是制造具有成本效益的電子學(xué)和光電子學(xué)的有前途的方法。最近，基于溶液工藝的金屬鹵化物鈣鈦礦已被證明具有電子和光電性能，適用于各種設(shè)備應(yīng)用，特別是光伏。

為了促進(jìn)鈣鈦礦光伏的商業(yè)化，開發(fā)一個具有足夠可重現(xiàn)性的可規(guī)模化的解決方案非常重要。研究應(yīng)擴(kuò)大空間視角對晶體質(zhì)量的研究，旨在精確控制任何大氣中整個薄膜的鈣鈦礦結(jié)晶動力學(xué)。然而，實現(xiàn)這一目標(biāo)將面臨重大困難。首先，鈣鈦礦的形成包括路易斯酸和堿之間的反應(yīng)，即使在低溫下也會迅速自發(fā)地發(fā)生。其次，實際使用的鹵化物鈣鈦礦通常是混合物，其中不同成分在薄膜生長過程中表現(xiàn)出不同的反應(yīng)性和擴(kuò)散性。此外，前體反應(yīng)物對水分和普通溶劑敏感，這導(dǎo)致加工條件的每次輕微變化都會產(chǎn)生相當(dāng)大的差異。因此，開發(fā)一種簡單、可控制和有效的退火技術(shù)，來滿足規(guī)?；a(chǎn)和可重復(fù)制造的要求具有挑戰(zhàn)性。

2021年7月30日，北京理工大學(xué)陳棋教授和北京大學(xué)周歡萍特聘研究員在Science上發(fā)表文章，Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility，演示了液態(tài)介質(zhì)退火（LMA）作為有效調(diào)節(jié)鹵化物鈣鈦礦材料晶體生長的方法。

不僅僅是提高退火溫度，LMA采用全向加熱，特別是薄膜上額外的“自上而下”傳熱，以更高的加熱速度加速晶體生長。此外，液體介質(zhì)從前體薄膜中提取殘留溶劑，以減輕其對晶體生長的干擾。此外，液體介質(zhì)為晶體生長創(chuàng)造了一個微環(huán)境，以防止整個薄膜上的揮發(fā)性成分損失。該技術(shù)創(chuàng)造了一個強大的化學(xué)環(huán)境和恒定的加熱場，以調(diào)節(jié)整個薄膜的晶體生長。該方法生產(chǎn)結(jié)晶度高、缺陷少、所需化學(xué)計量學(xué)和整體薄膜均勻性的薄膜。由此產(chǎn)生的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的穩(wěn)定功率輸出為24.04%（認(rèn)證為23.7%，0.08 cm²），并在運行2000小時后保持其初始功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）的95%。此外，1cm²的PSC表現(xiàn)出23.15%的穩(wěn)定功率輸出（認(rèn)證的PCE為 22.3%），并在1120小時運行后保持其初始PCE的90%，這表明了其可規(guī)?；圃斓目尚行?。

LMA對氣候的依賴性較低，可全年生產(chǎn)性能差異微不足道的器件。因此，這種方法為以可規(guī)?；涂芍噩F(xiàn)的方式提高鈣鈦礦薄膜和光伏器件的質(zhì)量開辟了一條新的有效途徑。

圖文詳情

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圖1. LMA過程示意圖

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圖2. 鈣鈦礦在Ref和LMA過程下的結(jié)晶動力學(xué)

圖3. FA_1-x-yMA_xCs_yPbI_3-zBr_z薄膜在Ref和LMA工藝下的均勻性和缺陷行為以及LMA技術(shù)的通用性

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圖4. Ref和LMA法制備的FA_1-x-yMA_xCs_yPbI_3-zBr_z基PSCs的光電性能和穩(wěn)定性

作者介紹

陳棋，2005年本科畢業(yè)于清華大學(xué)化工系，2007年碩士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)系，2012年博士畢業(yè)于加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)材料科學(xué)與工程系，隨后以博士后身份在UCLA加州納米研究中心。2016年入職北京理工大學(xué)。2019年，入選北京市自然科學(xué)基金杰出青年項目。

主要從事有機(jī)無機(jī)雜化及復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用研究，材料廣泛應(yīng)用于能源、光電信息等器件，如太陽能電池等。迄今發(fā)表論文90余篇，包括Science、Nature Comm.、Joule、J Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等，H-Index 38，總引用超過14000次（Google Scholar），單篇最高他引超過4000次。入選“全球2018科睿唯安‘高被引科學(xué)家’名單”。承擔(dān)多項國家級項目，包括北京市自然科學(xué)基金杰出青年項目，國家科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目、北京市科技計劃等。

周歡萍，北京大學(xué)特聘研究員，博士生導(dǎo)師。2010年博士畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，師從嚴(yán)純?nèi)A院士，2010年至2015年期間，于美國加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系從事博士后工作研究，師從楊陽教授。其研究領(lǐng)域包括：低成本/高效率太陽能電池(如鈣鈦礦)的材料設(shè)計，器件構(gòu)筑；納米結(jié)構(gòu)與光電器件的耦合；新型功能材料(如半導(dǎo)體或者稀土)的合成、性質(zhì)研究及其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。周歡萍研究員在Science， Nature Energy， Nature. Commun.，Joule, J. Am. Chem. Soc.，Nano Lett.，Adv. Mater.等材料、化學(xué)、物理及綜合類的國際國內(nèi)有影響的學(xué)術(shù)期刊上，累計發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，截止2020年7月被引用20000次以上，H因子為52，多次入選科睿唯安全球高被引作者。代表性研究工作“闡明銪離子對提升鈣鈦礦太陽能電池壽命的機(jī)理”入選科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心發(fā)布的2019年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。

文獻(xiàn)信息

Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility.

https://science.sciencemag.org/content/sci/373/6554/561.full.pdf

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/13/ae728dc298/

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