Nature SR:抗溶劑材料增強了環境制備鈣鈦礦薄膜的結構和光學性能
Nature SR:抗溶劑材料增強了環境制備鈣鈦礦薄膜的結構和光學性能
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
直擊摘要
論文作者以及其機構如上
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)具有低成本、高效率太陽能的潛力，但其對水分的敏感性限制了其實際應用。目前的制造需要受控的環境，限制了批量生產。研究人員的目標是開發穩定的psc，在環境條件下具有更長的壽命。在這項研究工作中，我們研究了鈣鈦礦薄膜和太陽能電池在自然空氣中制備和退火的穩定性，使用了四種不同的抗溶劑:甲苯、乙酸乙酯、乙醚和氯苯。薄膜(約300納米厚)通過單步旋轉鍍膜沉積，并經受環境空氣-氣氛長達30天。我們監測了結晶度、電學性質和光學性能隨時間的變化。結果表明，薄膜的結晶度、形貌和光電性能逐漸退化。值得注意的是，與其他溶劑相比，用乙酸乙酯制成的薄膜表現出優越的穩定性。這些發現有助于在正常環境條件下制造穩定和高性能的psc。此外，我們還討論了可能的機器學習(ML)方法，以優化未來高效鈣鈦礦太陽能電池制造的材料結構和合成工藝參數
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背景介紹
鈣鈦礦材料具有較寬的吸收系數、較長的載流子擴散長度和較大的載流子遷移率等優異的光敏性和電子特性。這些特性使得鈣鈦礦材料對于光電器件的選擇具有吸引力，例如光伏電池、發光二極管(LED)、光電探測器(pd)和金屬-半導體-膳食光電探測器(msm - pd)。有趣的是，到目前為止，由鈣鈦礦材料(通常簡稱為PSCs)制成的太陽能電池的轉換效率(通常稱為PCE)約為25%，這是先進材料開發和設備工程過程的結果。主要在材料合成和評價方面的進步使得PSCs比傳統的無機半導體薄膜太陽能電池更具競爭力比如硒化銅銦鎵(CIGS)和碲化鎘(CdTe)。預測由于鈣鈦礦層的增強和控制生長，PCE很快可以達到25%以上。*近在Ref上報道了0.05 cm2鈣鈦礦太陽能電池的準穩態PCE為26.15%，1.04 cm2鈣鈦礦太陽能電池的準穩態PCE為24.74%。該裝置在65°C下連續工作1200小時后，其初始PCE達到95%。
此外，對于實際應用而言，PSCs在長時間內持續的環境耐久性是一個至關重要的問題，目前被認為是該研究領域的主要研究。暴露于濕度、氧氣、熱量和光線等環境因素會導致psc降解，從而影響其性能。為了適合商業化，psc必須在室外條件下表現出近25年的穩定性，而不會出現明顯的表面降解。然而，PSCs的強度約為一年(迄今為止，文獻中報道的*長周期)，這明顯短于商業化的光伏技術，例如硅太陽能電池。特別是，PSCs的穩定性和短壽命是其在光伏領域商業化的一個重大障礙
在這項研究中，我們重點研究了鈣鈦礦材料和太陽能電池在自然環境條件下使用四種不同的反溶劑甲苯、乙酸乙酯、乙醚和氯苯制備和退火的穩定性。抗溶劑選擇方法考慮了影響結晶過程和薄膜質量的幾個方面，包括乙醚、甲苯、乙酸乙酯和氯苯。選擇甲苯和氯苯，因為它們可以保證均勻的晶體形成。然而，選擇非芳香族溶劑乙醚和乙酸乙酯，因為它們有望改善膜表面(光滑度)并實現快速溶劑提取。這種廣泛的選擇是為了探索獲得優異薄膜形狀和整體性能的豐富途徑，包括各種結晶工藝及其對*終鈣鈦礦薄膜的影響。鈣鈦礦薄膜(約300納米厚)是用一個簡單的旋轉鍍膜機制成的，并儲存在空氣環境(實驗室環境)中。證明了薄膜質量和特性的變化，并研究了抗溶劑材料對鈣鈦礦薄膜結構和光學性能的影響。所得結果反映了抗溶劑材料在提高鈣鈦礦薄膜質量和穩定性方面的潛力，為開發高效可靠的鈣鈦礦基光電器件鋪平了道路。
在PSC制備之后，制備了100 nm的鋅錫氧化物(ZTO)薄膜，然后在ZTO薄膜上自旋涂覆鈣鈦礦薄膜。通過對蠟燭煙灰法的部分修改，采用了抽孔層。在本研究中，使用蠟燭煙灰煅燒碳電極，因為它是一種廉價、穩定、環保且儲量豐富的有潛力的抽孔電極材料。在FTO涂層的玻璃基板上放置金屬掩膜，沉積蠟燭煙灰膜，然后在去除掩膜后用FTO/ZTO/鈣鈦礦堆棧夾緊。包括細胞結構的制造過程示意圖如圖1所示。
圖1所示。(a)電池制造技術示意圖，(b)太陽能電池的結構，(c)太陽能電池的能帶圖，(d)制造樣品的圖像。
圖2。不同時間下鈣鈦礦膜的XRD譜圖(*符號表示鈣鈦礦膜平面(110)的位置)
在一系列反溶劑下，鈣鈦礦薄膜降解過程中與PbI2轉化相關的光學帶隙如圖3b所示。沉積膜對乙醚、乙酸乙酯、甲苯和氯苯的帶隙分別為1.57 eV、1.57 eV、1.55 eV和1.58 eV。然而，在7天的曝光期后，可以觀察到帶隙的增加。甲苯和乙醚制備的薄膜帶隙增幅*大，這與PbI2轉化率的估計一致。總的來說，結果揭示了在鈣鈦礦薄膜中觀察到的反溶劑選擇和降解程度之間的明確關系。
一般來說，使用乙醚制備的薄膜表現出*高程度的降解，在環境大氣中暴露7天后，大約75%的初始薄膜轉化為PbI2。相反，與同期其他樣品相比，使用乙酸乙酯制備的薄膜表現出*低程度的降解。這些降解率的差異反映在光譜帶隙的偏差上，以及如圖3c所示的薄膜照片。
圖3。(a)不同抗溶劑對鈣鈦礦薄膜PbI2轉化的降解，(b)光學帶隙的變化對PbI2轉化的影響，(c)顯示了鈣鈦礦薄膜新鮮和暴露15 d的照片。
從XRD和UV-Vis光譜分析可以看出，使用乙酸乙酯制備的薄膜對室內環境濕度和光線具有更好的穩定性，我們試圖了解該薄膜的PL特性。圖4顯示了用乙酸乙酯制備的鈣鈦礦薄膜在制備狀態和暴露于環境大氣7天后的光致發光光譜。
結果表明，暴露于環境大氣后，吸收峰位置發生了明顯的變化，光致發光強度降低。具體來說，制備的樣品在約793 nm處表現出一個尖銳的吸收峰，而暴露于環境大氣中7天的樣品由于體復合而在約771 nm處表現出一個更寬的吸收峰。此外，暴露樣品的光致發光強度顯著降低，表明電荷載流子的損失和整體性能的下降。光致發光(PL)強度的降低可主要歸因于輻射復合的下降或通過形成缺陷中心而導致的非輻射復合的增加，缺陷中心通常發生在分解過程中的鈣鈦礦中
圖6。通過SWOT分析，總結了在鈣鈦礦薄膜開發中使用抗溶劑材料的認識
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得出結論
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
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