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钙钛矿太阳能电池制备工艺

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PSCs）以其较高的光电能量转换效率（power conversion efficiency, PCE）、相对染料敏化电池较低的制造成本、耐久耐候性好等优势，吸引着广大研究者的兴趣，其能量转换效率的记录在近年来也不断被刷新，从3.8%飙升至22.1%。引领这一技术发展的大牛，小编窃以为当属韩国蔚山国立科学技术研究所（UNIST）的Sang Il Seok教授、瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和英国牛津大学的Henry Snaith教授等人。尽管发展势头良好，但还存在不少难题制约钙钛矿太阳能电池的广泛应用，其中最大的问题之一就是制备性能优异且尺寸较大的太阳能电池器件。目前拥有较高能量转换效率的钙钛矿太阳能电池，尺寸都在1cm2以下，基本在0.04至0.2cm2左右，因此找到更好的方法来制备大尺寸高性能的钙钛矿薄膜至关重要。
近日，洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授课题组在《Science》上报道了一种简单的真空闪蒸溶液处理法（vacuum-flash solution processing, VASP），成功制备了一块采光面积（aperture area）超过1 cm2的钙钛矿太阳能电池，其最高能量转换效率为20.5%，认证效率为19.6%。这一数值将之前同等大小的钙钛矿太阳能电池的记录15.6%远远甩在了身后，这种高效率大面积的上档次钙钛矿太阳能电池称之为“高大上”，一点也不夸张。（A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8060）

如上图所示，作者先将钙钛矿的前驱体FA0.81MA0.15PbI2.51Br0.45和DMSO的混合物（1:1混合）通过“旋涂法”涂在介孔TiO2薄膜表面，然后放入真空闪蒸罐中去除溶剂，形成了钙钛矿晶体，最后通过退火处理，获得大面积且具有高电子质量的有光泽、光滑、结晶性好的钙钛矿薄膜。其中最重要的步骤是第二步真空闪蒸。真空闪蒸是一种广泛使用的“老方法”，已经有较成熟的工艺技术。简单地说，物质的沸点随压力增大而升高，压力降低而减小，因此通过调节压力，可以改变物质的沸点，使液相快速汽化，晶体析出。所以压强的大小决定了晶体析出的快慢，是控制钙钛矿薄膜结晶性好坏的关键因素。作者通过比较，认为20Pa压强下析出的钙钛矿薄膜性能最好。同时研究人员证明了该方法的可重复性极佳，且电池J-V曲线中几乎不表现出滞后性。

对比了没有通过真空闪蒸结晶的传统一步溶液沉积法（conventional single-step solution deposition process, CP）。通过下图SEM图像中可以看出，溶液沉积法制备的钙钛矿薄膜平整度较差，同时没有很好的覆盖在介孔TiO2表面。而通过真空闪蒸处理后制备的钙钛矿薄膜，形成了一个400 nm厚、平整且连续的覆盖层，可以更好地阻碍载流子-空穴复合，提高开路电压。

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