Slot-Die涂层,使有效的宽禁带钙钛矿层

一组研究人员最近在《华尔街日报》发表了一篇论文ACS能源字母证明使用slot-die涂层方法制造的可行性三层金属卤化物钙钛矿的可伸缩的和高效的生产硅钙钛矿/串联太阳能电池。

研究:Slot-Die涂布Triple-Halide高效和可伸缩的钙钛矿/硅钙钛矿串联太阳能电池。图片来源:Fotografie -施密特/ Shutterstock.com

背景

串联太阳能电池的效率,结合卤化硅底电池和可调钙钛矿顶细胞1.68 eV宽禁带,已超越俄歇复合有限的效率结果硅太阳能电池和最近获得29.8%的功率转换效率(PCE)在一厘米²。

钙钛矿/硅钙钛矿结果串联太阳能电池和太阳能电池25.7%的PCE在0.1厘米²由旋转涂布合成钙钛矿层。然而,实现薄膜均匀性大规模使用旋转涂布技术是一个重大的挑战。具体来说,控制膜厚度从中心向边缘的衬底是最困难的活动区域扩张。

此外,90%的antisolvents和卤化物钙钛矿前体中剥离旋转涂布方法,使得该方法对环境和经济上不可行的大型硅钙钛矿/串联和钙钛矿结果太阳能电池生产。

此外,高pc转移到商业,大批量生产,大面积硅底电池是另一个重大挑战的大规模生产硅钙钛矿/串联太阳能电池。旋转涂布卤化物钙钛矿140μm或少于140μm厚,粗糙的硅晶圆是相当困难的。

多个印刷技术,如slot-die涂料、喷墨印刷、叶片涂层,可以作为替代旋转涂布升级。然而,喷墨打印和叶片涂料都有一些不足之处,如沉积速度慢和喷嘴堵塞。

slot-die涂层过程具有许多优点,包括简单的清洗,准确的厚度,操作方便。Slot-die涂布机平台上配有一个连续的墨水供应注射器和自动涂层表。

氮气流从氮刀具广泛用于诱导膜的形成控制涂湿膜干燥过程。Slot-die涂层与氮气淬火可以适当的低成本和可伸缩的方法沉积金属卤化物钙钛矿的这种方法可以实现精密卷绕对位技术生产高档。

识别一个宽禁带的墨水成分金属卤化物钙钛矿,导致高PCE,晶体质量,和热稳定性,没有相隔离金属卤化物钙钛矿涂层过程是至关重要的。

常见的墨水成分广泛用于钙钛矿/硅串联应用包括double-cation钙钛矿组成formamidinium(足总⁺)和铯(Cs⁺包含FA)和triple-cation钙钛矿⁺,计算机科学⁺和methylammonium (MA⁺)。

二甲亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)通常是用作溶剂系统对大多数旋转涂布油墨成分由于其溶解度高。然而,DMSO不适合扩展nitrogen-quenching协助没有antisolvents大面积金属卤化物钙钛矿沉积。

马浓度高,相位稳定,能带隙的主要缺点是钙钛矿/硅串联太阳能电池准备使用印刷技术直到现在。墨水具有宽禁带的系统组成和低马内容扩展串联太阳能电池生产的关键。

这项研究

在这项研究中,研究人员开发出一种合适的溶剂和油墨系统制作一个宽禁带,高效triple-halide钙钛矿层包含(Cs_0.22足总_0.78)领导(Pb)——(碘(I)_0.85溴(Br)_0.15)_3,指定为Cs22Br15, + 5摩尔% methylammonium氯化铅(MAPbCl₃)使用slot-die涂层方法扩大生产硅钙钛矿/串联太阳能电池。slot-die涂湿卤化物钙钛矿干了“氮刀”。

研究人员调查了金属卤化物钙钛矿的形成电影和退火温度和干燥的影响评估方法形成钙钛矿的电影。一个triple-halide钙钛矿与antisolvent治疗准备使用旋转涂布方法和作为参考由于其特殊的性能。

墨水系统/盐是通过添加0.05摩尔的MAPbCl准备的₃Cs22Br15每摩尔。664年的一个总盐的摩尔当时稀释µl DMF和50µl N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)在室温下。

钙钛矿结果太阳能电池的氧化铟锡(ITO) /空穴传输层(HTL) /钙钛矿/氟化锂(生活)/巴克敏斯特富勒烯(C₆₀)/ (bathocuproine (BCP),氧化锡(IV) (SnO₂)/(银、铜)配置准备。

ITO-covered玻璃用于沉积钙钛矿的反平面结构层。钙钛矿的HTL层结果太阳能电池是([2 - (9 h-carbazol-9-yl)乙基]膦酸)(2 pacz)。

旋转涂布方法用于存款2 pacz,虽然Cs22Br15 + 5摩尔% MAPbCl钙钛矿的解决方案₃使用slot-die涂层沉积方法在氮气氛。潮湿的钙钛矿电影然后在不同温度下退火。

此外,与后侧p / n结硅异质结电池由120μm厚Czochralski细晶片没有额外的机械或化学表面抛光和钙钛矿/硅串联太阳能电池在本研究准备。

硅底细胞退火210年10分钟^oC沉积前的钙钛矿顶细胞制造的串联钙钛矿/硅太阳能电池看到损害蚀刻n型Czochralski硅/ HTL /透明导电氧化物(TCO) /钙钛矿/生活/ C₆₀/ SnO₂/氧化锌铟(IZO)配置。

的涂层方法和过程,步骤HTL,钙钛矿,制药业,C₆₀,SnO₂用于钙钛矿结果硅也沉积在细胞制备底细胞。随后,IZO使用溅射方法沉积。

研究人员执行时间稳态绝对光致发光(PL)测量,intensity-dependent准费米能级分裂(QFLS)和绝对和瞬态PL测量,单结太阳能电池特性,串联太阳能电池特性,反射和透射测量,掠入射x射线衍射测量,和x射线衍射(XRD)测量模式。

观察

研究人员成功地捏造triple-halide钙钛矿电影前细胞优化的带隙,高PL量子产率(PLQY),并使用slot-die涂层方法提高电影质量。他们也有效地集成金属卤化物钙钛矿与工业硅底电池串联结构,证明制造工业相关的潜力和可伸缩的钙钛矿太阳能电池。

triple-halide的氯化溴化钙钛矿的数量减少顶端细胞所需优化的带隙,改进的表面形态和诱导表面钝化。添加5摩尔% MAPbCl₃到double-cation Cs22Br15钙钛矿增加从1.63 eV能带到1.68 eV,导致特殊的光电性质,没有相隔离。

退火和干燥条件的优化从100年到170年^o绝对PL C 20分钟改善瞬态和电荷载体寿命和QFLS。优化结晶和退火条件启用大增益大小,电荷收集损失减少,导致更高的电流密度在钙钛矿/硅串联太阳能电池。

之间的优化平衡被确认大碘化铅(PbI不利₂)聚合形成膜的上表面和样品结晶度薄膜退火时,享年150岁^oc . 19.4%的稳定输出功率达到由于金属卤化物钙钛矿提高电池性能和稳定性结果。金属卤化物钙钛矿的最高输出功率最高细胞优化的带隙。

双端单一钙钛矿/串联太阳能电池25.2% PCE在一厘米²活动区域捏造了整合优化钙钛矿与硅底电池吸收层。

综上所述,本研究的结果证明了钙钛矿的可伸缩的制造/串联太阳能电池硅能带使用slot-die涂层方法进行了优化。

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源

Unold, T。张,J。Akhundova F。等。(2022)。Slot-Die涂布Triple-Halide高效和可伸缩的钙钛矿/硅钙钛矿串联太阳能电池。ACS能源字母。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01506

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