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半導體的溶液處理是制造具有成本效益的電子學和光電子學的有前途的方法。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，適用于各種設備應用，特別是光伏。

為了促進鈣鈦礦光伏的商業化，開發一個具有足夠可重現性的可規模化的解決方案非常重要。研究應擴大空間視角對晶體質量的研究，旨在精確控制任何大氣中整個薄膜的鈣鈦礦結晶動力學。然而，實現這一目標將面臨重大困難。首先，鈣鈦礦的形成包括路易斯酸和堿之間的反應，即使在低溫下也會迅速自發地發生。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出不同的反應性和擴散性。此外，前體反應物對水分和普通溶劑敏感，這導致加工條件的每次輕微變化都會產生相當大的差異。因此，開發一種簡單、可控制和有效的退火技術，來滿足規模化生產和可重復制造的要求具有挑戰性。

2021年7月30日，北京理工大學陳棋教授和北京大學周歡萍特聘研究員在Science上發表文章，Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility，演示了液態介質退火（LMA）作為有效調節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，液體介質為晶體生長創造了一個微環境，以防止整個薄膜上的揮發性成分損失。該技術創造了一個強大的化學環境和恒定的加熱場，以調節整個薄膜的晶體生長。該方法生產結晶度高、缺陷少、所需化學計量學和整體薄膜均勻性的薄膜。由此產生的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的穩定功率輸出為24.04%（認證為23.7%，0.08 cm²），并在運行2000小時后保持其初始功率轉換效率（PCE）的95%。此外，1cm²的PSC表現出23.15%的穩定功率輸出（認證的PCE為 22.3%），并在1120小時運行后保持其初始PCE的90%，這表明了其可規模化制造的可行性。

LMA對氣候的依賴性較低，可全年生產性能差異微不足道的器件。因此，這種方法為以可規模化和可重現的方式提高鈣鈦礦薄膜和光伏器件的質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過程下的結晶動力學

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的光電性能和穩定性

作者介紹

陳棋，2005年本科畢業于清華大學化工系，2007年碩士畢業于清華大學化學系，2012年博士畢業于加州大學洛杉磯分校(UCLA)材料科學與工程系，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。2019年，入選北京市自然科學基金杰出青年項目。

主要從事有機無機雜化及復合材料的開發與應用研究，材料廣泛應用于能源、光電信息等器件，如太陽能電池等。迄今發表論文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‘高被引科學家’名單”。承擔多項國家級項目，包括北京市自然科學基金杰出青年項目，國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、北京市科技計劃等。

周歡萍，北京大學特聘研究員，博士生導師。2010年博士畢業于北京大學化學與分子工程學院，師從嚴純華院士，2010年至2015年期間，于美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系從事博士后工作研究，師從楊陽教授。其研究領域包括：低成本/高效率太陽能電池(如鈣鈦礦)的材料設計，器件構筑；納米結構與光電器件的耦合；新型功能材料(如半導體或者稀土)的合成、性質研究及其在光電領域的應用。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、物理及綜合類的國際國內有影響的學術期刊上，累計發表學術論文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理”入選科學技術部高技術研究發展中心發布的2019年度中國科學十大進展。

文獻信息

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

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/13/ae728dc298/

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