扩大钙钛矿太阳能电池的途径 ——超声喷涂

超声波喷涂是扩大钙钛矿太阳能电池生产的一种有前途的途径，可以从实验室到批量生产的任何规模下进行制备。但是，与旋涂不同，通过一组与机器无关的参数很难描述喷涂过程。在这项工作中，提出了将湿膜厚度和蒸发速率的原位测量和建模作为超声喷涂工艺的机器的独立描述，并应用于制备高性能钙钛矿太阳能电池的工艺优化。根据物理湿膜参数而不是机器设置的优化可以更好地理解影响膜质量的关键因素，并可以将工艺转移到另一个制造环境中。在一系列涂覆条件下分析了喷涂PbI2膜的形态，并观察到喷涂参数与PbI2膜均匀性之间的密切相关性。过早沉淀和稀疏成核是造成薄膜不均匀的原因，并确定了最佳工艺参数。在环境条件下，相对湿度为50％的情况下，优化工艺后制备的器件，在1 cm2面积的器件中实现了13％的功率转换效率，并且磁滞可以忽略不计。相关工作以“Transferrable optimization of spray-coated PbI2 films for perovskite solar cell fabrication”为题发表于《Journal of Materials Chemistry A》（J. Mater. Chem. A. 2017, 5, 5709-5718）。

图文介绍

图一、不同温度基底和墨水泵速率下，喷涂PbI2及其钙钛矿薄膜在光学显微镜下的照片

(a-i) 不同温度基底和墨水泵速率下，喷涂PbI2及其钙钛矿薄膜在光学显微镜下的照片。墨水泵速率和墨水浓度一起变化，控制每单位面积下的PbI2量保持恒定。行变化是温度变化，列变化是墨水泵速率变化。

图二、液膜厚度对薄膜微观形态的影响

(a-c) 钙钛矿薄膜的AFM图：(a) 7 mL/min、(b) 3.5 mL/min、(c) 2.3 mL/min、
(d) 带有空隙的钙钛矿薄膜的截面SEM图
(e) 带有空隙的钙钛矿薄膜的高度示意图
(f) 喷涂工艺的表面覆盖率和湿膜厚度的关系

图三、对湿膜的相关表征

(a) 使用激光测试湿膜厚度的示意图
(b) 湿膜蒸发后激光强度的振荡图
(c) 宽喷洒，DMF湿膜干燥时间和墨水泵的速率的关系
(d) 窄喷洒，DMF湿膜干燥时间和墨水泵的速率的关系
(e) 窄喷洒，IPA干燥时间
(f) 根据干燥时间、测量干扰值、直接质量变化测量值和模型确定的蒸发速率

图四、COMSOL模拟层状气流的表面蒸发速率

(a) 蒸发速率和位置的关系
(b) 样品上方的蒸汽浓度

图五、器件效率

(a) 钙钛矿器件的截面SEM图和结构图
(b) 最优器件的正反扫J-V曲线
(c) 最优钙钛矿薄膜的XRD图
(d) 最优器件的IPCE曲线

小结

本项工作中，通过优化参数，可以超声喷涂最佳均匀性的PbI2薄膜，其厚度适合制备高性能钙钛矿太阳能电池。我们观察到湿膜厚度，蒸发速率和干膜均匀性之间有很强的相关性，并将湿膜厚度和蒸发速率确定为干膜质量的关键参数。为了方便将配方从实验室中的特定设备转移到生产环境，本文展示了一种简单的方法来现场测量湿膜的厚度和蒸发速率。此外，证明了单个湿膜的蒸发速率测量可用于确定工艺室的表面传质系数。表面传质系数的知识使我们能够基于任何溶剂来计算墨水的蒸发速率。演示了局部蒸发速率的建模，这使得在更改样品的几何形状时可以对工艺参数进行必要的调整。使用最佳工艺条件，我们制备出钙钛矿型太阳能电池，其器件性能与有效面积为1 cm2的喷涂器件达到的最佳性能相当。

原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/TA/C6TA09922J#!divAbstract