薄膜|新方法重塑制备流程钙钛矿太阳能电池刷新世界纪录( 二 ) 太阳能电池|钛矿|光电转换效率

为了让钙钛矿溶液能大面积均匀成膜，研究团队首先使用了刮刀涂布工艺。谭海仁解释，他们将溶液滴在透明的导电玻璃上，然后用刀片向前刮过去，这就在玻璃表面形成了一层均匀的湿薄膜，用这种方法，他们完成了空穴传输层、钙钛矿层的刷涂，再用真空沉积的方法制备电子传输层和隧穿结构来保护第一层钙钛矿，然后再涂空穴传输层和第二层钙钛矿，真空蒸镀电子传输层和金属电极后，一个钙钛矿太阳能电池块框架就像搭积木一样“出炉”了。
仅搭好“房子”还不够，它还得“身材”匀称、结实。谭海仁说，最初制备钙钛矿叠层电池块时，因为溶液结晶时间久，薄膜还是不均匀， “后来想到，如果能像打印纸张一样，打印出来的瞬间墨水就干了，也许就能提高薄膜质量和生产效率” 。
针对宽带隙钙钛矿在涂布过程中结晶调控难题，团队几经尝试后，将钙钛矿组分中A位阳离子的铯含量提高到35% ，再结合气吹辅助结晶的刮涂方法加速溶液挥发，终于得到了一个结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜，这为量产化制备全钙钛矿叠层组件打下基础。
铯为何会成为“天选之子”让电池快速稳定成型？谭海仁介绍：“铯是无机离子，不易挥发，会提高器件的热稳定性，还能减小晶格应变，提升器件的光稳定性，也能降低结晶势垒，加快器件成核速率。 ”
避免不同材料互相“伤害”
“从理论上说，当前单层钙钛矿太阳能电池的光电转化效率最高仅为33% ，而双层结构最高可达45% ，发电效率越高，成本就越低。 ”长期的深入研究，让谭海仁发现，想实现钙钛矿电池内部结构“从一到二”的跨越，还要考虑器件材料间如何“和谐共处” 。
“在串联型钙钛矿光伏组件中，每两个子电池的连接区存在复杂的互连结构。互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触，钙钛矿中卤素离子会与电极中的金属相互扩散，导致金属材料被腐蚀、钙钛矿材料的电学性能下降，影响电池块的光电转换效率。 ”谭海仁说，为了克服这个难题，团队在钙钛矿吸光层与背面金属电极间，采用原子层沉积的方法，制备了一层二氧化锡电子传输层。
【薄膜|新方法重塑制备流程钙钛矿太阳能电池刷新世界纪录】“二氧化锡是半导体材料，可以在低温度环境生长，导电性比较好。不会影响互连区域中金属电极与前表面透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时，二氧化锡电子传输层可以保形沉积于子电池间的互联区域，阻隔了钙钛矿与金属间的直接接触。作为电池活性区域中的电子传输层，它还阻止空气对窄带隙钙钛矿的氧化，实现了大气条件下组件的互联制备、测试和封装等操作过程。 ”谭海仁解释。
此创新性的组件结构设计，显著提升了组件的制备重复性、光伏性能以及稳定性。经日本电器安全和环境技术实验室测定，该全钙钛矿叠层太阳能电池块的光电转化效率为21.7% ，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，这一成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录。
大面积钙钛矿叠层光伏组件展现的潜力激发了团队更大的斗志。谭海仁表示，如果要推动该技术的产业化，还要在印刷、制备钙钛矿的工艺上做更多研发。制备20平方厘米墨水相对简单，但如果扩展到1平方米大小，需要创新哪些技术条件，还需要持续验证。

薄膜|新方法重塑制备流程 钙钛矿太阳能电池刷新世界纪录( 二 )

薄膜|新方法重塑制备流程钙钛矿太阳能电池刷新世界纪录( 二 )