《AFM》从基础到高效太阳能电池：基板材料的重要性!

真空沉积光电薄膜已经有很长的历史了。然而，在钙钛矿型光伏领域，这些技术仍然不如基于溶液的同类技术先进。虽然已有报道高效率真空钙钛矿太阳能电池的功率转换效率(PCE)达到20%以上，但对碘化铅和碘甲铵共蒸发的基本物理化学机理的研究还很少。

 

来自卡尔斯鲁厄技术学院的学者研究了真空工艺中最关键的工艺参数之一：衬底材料的影响。结果表明，共蒸发钙钛矿薄膜的形貌不仅受到基体材料表面极性的显著影响，而且还受到有机化合物在钙钛矿骨架中的掺入程度的显著影响。在此基础上，提出了高效共蒸发钙钛矿薄膜衬底材料的选择指南。本选择指南指出，有机真空可加工空穴传输材料【2，2“，7，7”-tet-ra(N，N-二对甲苯)氨基-9，9-螺联荧烯】是制备高效全蒸发钙钛矿太阳能电池的理想候选材料，其PCEs在19%以上。另一方面，本文在对不同衬底材料上钙钛矿薄膜形成机理研究的基础上，提出了共蒸发钙钛矿薄膜的基本结晶模型。相关文章以“From Groundwork to Effcient Solar Cells: On the Importance of the Substrate Material in Co-Evaporated Perovskite Solar Cells”标题发表在Advanced Functional Materials。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202104482 

图1.所采用的蒸发系统和在PbI₂和MAI共蒸发过程中可能发生的化学过程的示意图。A)在共蒸发过程中，可以想到三种不同的反应路径：1)沉积PbI₂和MAI在衬底上的反应，2)沉积PbI₂与来自环境的MAI的延迟反应，以及3) PbI₂和MAI在到达衬底之前的反应。(3) PbI₂和MAI在到达衬底之前的反应。B)由于MAI具有较高的蒸汽压和较低的蒸发焓，PbI₂和MAI在全向过程大气中的理论预期蒸发速率和平均自由程。

图2.PbI₂和MAI在不同电荷传输材料上共蒸发时，在不同MAI分压下制备的钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜研究。PbI₂和MAI在不同电荷传输材料上共蒸发过程中钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜研究。所有钙钛矿薄膜的厚度都在300 nm左右。所有图像的比例尺都是相同的。

图3.在不同衬底材料上生长的钙钛矿吸收体的X射线衍射研究。在a)TiO₂和b)PTAA上生长的吸收体在不同MAI分压下生长的X-射线衍射图谱。c)不同衬底材料上生长的吸收体的{10 0}、{110}和{111}晶面的峰高之比。d)不同衬底材料上预期晶体取向的直观表示。

图4.不同衬底材料上共蒸发钙钛矿吸收剂颗粒形成的发展。a)在共蒸发过程的不同阶段，不同衬底材料上的层状形貌和结晶过程。所有图像都有相同的放大倍数。b)TiO₂，c)SnO₂和d)PTAA上生长的钙钛矿吸收体的横截面SEM图像。

 

图5.在a)TiO₂基板和b)PTAA基板上共蒸发钙钛矿吸收体生长的基本结晶模型。对于这两种情况，只显示了最优MAI分压的情况。

图6.通过测量水接触角来研究常用电荷传输层的表面极性。所有电荷传输材料都沉积在ITO前电极上。未采用真空方法制备的基片在真空(<5×10⁻⁷mbar)中保持过夜，以模拟更真实的真空处理钙钛矿型太阳能电池的场景。对于每种衬底材料，都进行了几次单独的测量。

图7.在不同衬底材料上生长的钙钛矿型薄膜在不同MAI分压下的太阳能电池性能。a)功率转换效率(PCE)，b)开路电压(VOC)，c)滤波因数(FF)，以及d)短路电流密度(J_SC)。图中显示了16个太阳能电池的平均值以及它们各自的标准偏差。 

图8.精心选择基板的高效全蒸发钙钛矿太阳能电池。a)采用Spiro-TTB作为空穴提取层的共蒸发钙钛矿太阳能电池的横截面扫描电镜图像。清晰可见的晶粒边界被突出显示。b)采用SPIRO-TTB的典型全蒸发钙钛矿太阳能电池在MPP跟踪条件下的J-V特性和连续光照下的性能。

 

这项工作报告了衬底材料的选择对钙钛矿型光伏共蒸发薄膜结晶动力学的重要性。衬底材料不仅影响生成的钙钛矿薄膜的晶体和形态性质，而且还影响MAI在钙钛矿骨架中的掺入，从而影响薄膜的化学计量比。对于允许钙钛矿薄膜均匀和柱状晶生长的衬底材料，只有在仔细选择和调整衬底材料之后，才能获得有效和稳定的钙钛矿太阳能电池，其PCE大于19%。最后，有机真空可加工空穴传输材料Spiro-TTB被证明是制造高效的全蒸发钙钛矿太阳能电池的理想候选材料，它与通常采用的混合溶液和真空基层叠序列保持同步。（文：SSC）