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阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)通过了解钙钛矿薄膜制备工艺原理,有望提高太阳能电池性能

2017-01-12 148浏览 标签: KAUST钙钛矿太阳能电池

2017年1月8日,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究团队在研究钙钛矿薄膜生产工艺原理时发现一个高质量钙钛矿材料的生产工艺依赖于生产过程中溶剂的去除方法,此发现有望帮助提高太阳能电池的效率。

硅是生产太阳能电池的主要材料,然而,钙钛矿材料正在逐渐的追赶上来:它便宜、是柔性的而且在光电转化效率方面非常有前景。阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究员正在研究这些钙钛矿材料的制备机理以便帮助科学家们了解它们的性质以及设计更有效率的太阳能电池。

金属卤化物钙钛矿有三个成分:金属元素(常见的为铅)、卤族元素(通常为碘,尽管溴和氯也经常被使用)和有机成分。这些材料的薄膜可以通过将甲基碘化氨(MAI)和一种可以提供额外卤素原子的铅盐(如PbI2、PbBr2或PbCl2)在溶剂中混合而制成。科研人员将该混合溶液逐滴滴到衬底后,通过快速旋转来将其制成薄膜,然后通过加热来制成固态多晶钙钛矿材料。此种制备方法的优点在于它很简单,然而该制备过程中发生了什么科学家们还不完全清楚,这导致了实验的重复率差,不同的研究组制成的样品具有不同的性质。

KAUST材料科学与工程副教授、太阳能中心的研究人员Aram Amassian在美国纽约的康奈尔高能同步辐射光源使用X射线实时地观察了这个一步溶液涂层过程。该技术使得他们发现从钙钛矿溶液到钙钛矿晶体的转化要通过一个高度溶剂化的中间固态。Amassian说:“我们的研究成果表明,这种溶剂化前驱体的性质和稳定性对最终产品的可重复性至关重要。”

该团队测量了常用溶剂二甲基甲酰胺在旋转过程中薄膜的厚度变化。通过使用光学反射测量法,该团队发现,随着时间的推移,膜厚度的改变取决于MAI与铅盐的比例,当MAI的浓度增加时,溶液形成的薄膜变薄的速度慢得多,强烈地影响了膜的形成。这种现象在其它相似的技术(如有机太阳能电池)使用的其它材料系统中并不明显,提供了溶剂-溶质相互作用在卤化物钙钛矿中具有非常重要作用的第一条线索。

Amassian说:“我们在旋转过程中使用同步辐射X射线散射来更多地了解这个中间态前驱体的信息,我们发现在前15-20秒的旋转过程中,该前驱体以结晶态或无序态存在。”晶体状态的前驱体在时间上是稳定的,并可靠地转化成具有一致微结构和形态的钙钛矿膜,使得它们的表面形状具有可重复性。然而,无序状态的前驱体对时间敏感,会导致所得材料的性质和太阳能电池性能的较大变化。



理解钙钛矿薄膜的制造机理对于生产高效太阳能电池是至关重要的



 

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