Nature SR:抗溶劑材料增強(qiáng)了環(huán)境制備鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能
需要增透減反技術(shù)可以聯(lián)系我們上海工廠
上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
論文作者以及其機(jī)構(gòu)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(yīng)用。目前的制造需要受控的環(huán)境，限制了批量生產(chǎn)。研究人員的目標(biāo)是開發(fā)穩(wěn)定的psc，在環(huán)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(wěn)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(zhuǎn)鍍膜沉積，并經(jīng)受環(huán)境空氣-氣氛長達(dá)30天。我們監(jiān)測了結(jié)晶度、電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性能隨時間的變化。結(jié)果表明，薄膜的結(jié)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(xiàn)出優(yōu)越的穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)有助于在正常環(huán)境條件下制造穩(wěn)定和高性能的psc。此外，我們還討論了可能的機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)方法，以優(yōu)化未來高效鈣鈦礦太陽能電池制造的材料結(jié)構(gòu)和合成工藝參數(shù)
鈣鈦礦材料具有較寬的吸收系數(shù)、較長的載流子擴(kuò)散長度和較大的載流子遷移率等優(yōu)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(fā)光二極管(LED)、光電探測器(pd)和金屬-半導(dǎo)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(zhuǎn)換效率(通常稱為PCE)約為25%，這是先進(jìn)材料開發(fā)和設(shè)備工程過程的結(jié)果。主要在材料合成和評價方面的進(jìn)步使得PSCs比傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)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(yù)測由于鈣鈦礦層的增強(qiáng)和控制生長，PCE很快可以達(dá)到25%以上。*近在Ref上報道了0.05 cm2鈣鈦礦太陽能電池的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)PCE為26.15%，1.04 cm2鈣鈦礦太陽能電池的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)PCE為24.74%。該裝置在65°C下連續(xù)工作1200小時后，其初始PCE達(dá)到95%。
此外，對于實際應(yīng)用而言，PSCs在長時間內(nèi)持續(xù)的環(huán)境耐久性是一個至關(guān)重要的問題，目前被認(rèn)為是該研究領(lǐng)域的主要研究。暴露于濕度、氧氣、熱量和光線等環(huán)境因素會導(dǎo)致psc降解，從而影響其性能。為了適合商業(yè)化，psc必須在室外條件下表現(xiàn)出近25年的穩(wěn)定性，而不會出現(xiàn)明顯的表面降解。然而，PSCs的強(qiáng)度約為一年(迄今為止，文獻(xiàn)中報道的*長周期)，這明顯短于商業(yè)化的光伏技術(shù)，例如硅太陽能電池。特別是，PSCs的穩(wěn)定性和短壽命是其在光伏領(lǐng)域商業(yè)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(huán)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(wěn)定性。抗溶劑選擇方法考慮了影響結(jié)晶過程和薄膜質(zhì)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(xiàn)快速溶劑提取。這種廣泛的選擇是為了探索獲得優(yōu)異薄膜形狀和整體性能的豐富途徑，包括各種結(jié)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(zhuǎn)鍍膜機(jī)制成的，并儲存在空氣環(huán)境(實驗室環(huán)境)中。證明了薄膜質(zhì)量和特性的變化，并研究了抗溶劑材料對鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。所得結(jié)果反映了抗溶劑材料在提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和穩(wěn)定性方面的潛力，為開發(fā)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(wěn)定、環(huán)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(xì)胞結(jié)構(gòu)的制造過程示意圖如圖1所示。
圖1所示。(a)電池制造技術(shù)示意圖，(b)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，(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(zhuǎn)化相關(guān)的光學(xué)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(zhuǎn)化率的估計一致?？偟膩碚f，結(jié)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(guān)系。
一般來說，使用乙醚制備的薄膜表現(xiàn)出*高程度的降解，在環(huán)境大氣中暴露7天后，大約75%的初始薄膜轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)化的降解，(b)光學(xué)帶隙的變化對PbI2轉(zhuǎn)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(nèi)環(huán)境濕度和光線具有更好的穩(wěn)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(tài)和暴露于環(huán)境大氣7天后的光致發(fā)光光譜。
結(jié)果表明，暴露于環(huán)境大氣后，吸收峰位置發(fā)生了明顯的變化，光致發(fā)光強(qiáng)度降低。具體來說，制備的樣品在約793 nm處表現(xiàn)出一個尖銳的吸收峰，而暴露于環(huán)境大氣中7天的樣品由于體復(fù)合而在約771 nm處表現(xiàn)出一個更寬的吸收峰。此外，暴露樣品的光致發(fā)光強(qiáng)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(fā)光(PL)強(qiáng)度的降低可主要歸因于輻射復(fù)合的下降或通過形成缺陷中心而導(dǎo)致的非輻射復(fù)合的增加，缺陷中心通常發(fā)生在分解過程中的鈣鈦礦中
圖4。用乙酸乙酯制備的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光吸收光譜(制備樣品和曝光7天后相同樣品)。表2總結(jié)了使用各種反溶劑制備的鈣鈦礦薄膜在制備狀態(tài)和暴露于環(huán)境大氣7天后的電學(xué)性能。結(jié)果顯示，不同薄膜的載流子濃度、遷移率和電阻率存在顯著差異，突出了抗溶劑選擇對所得薄膜電性能的影響。具體來說，與甲苯制備的薄膜相比，用乙酸乙酯制備的薄膜表現(xiàn)出*高的載流子濃度，用氯苯制備的薄膜表現(xiàn)出*高的遷移率和相對*低的電阻率。此外，還發(fā)現(xiàn)使用乙酸乙酯制備的樣品的降解率明顯低于其他樣品，這可能是由于樣品制備過程中發(fā)生的離子遷移造成的。這可以通過歸一化電流密度、開路電壓(Voc)、短路電流(Jsc)以及整個暴露過程中的效率變化來表明(如圖5所示)。事實上，從鈣鈦礦到PbI2的轉(zhuǎn)變肯定會導(dǎo)致遷移率和載流子濃度的降低。鈣鈦礦材料作為半導(dǎo)體，然而，分解的PbI2成為電絕緣體。
表2。不同抗溶劑制備的鈣鈦礦薄膜的電學(xué)性能總結(jié)(制備樣品和暴露7天后的相同樣品)。
圖6。通過SWOT分析，總結(jié)了在鈣鈦礦薄膜開發(fā)中使用抗溶劑材料的認(rèn)識
我們已經(jīng)證明了在鈣鈦礦薄膜的制造中使用抗溶劑材料對其結(jié)構(gòu)和光電性能有重大影響。反溶劑的選擇是影響薄膜結(jié)晶和形態(tài)特征，以及載流子濃度、遷移率和電阻率的重要因素。暴露在環(huán)境大氣中也會導(dǎo)致其性能的退化和變化。隨著暴露點的升高，與平面(110)相關(guān)的鈣鈦礦峰值逐漸降低，而與PbI2相關(guān)的鈣鈦礦峰值相反升高。此外，峰(312)和(411)的解離也被觀察到，這表明位移和微應(yīng)變的擴(kuò)展，以及證實鈣鈦礦薄膜的解體。對暴露時間對PbI2產(chǎn)生的影響進(jìn)行了估計，發(fā)現(xiàn)用乙酸乙酯制備的薄膜對環(huán)境濕度和溫度具有更好的穩(wěn)定性。還發(fā)現(xiàn)，未覆蓋薄膜的PL強(qiáng)度降低，表明輻射復(fù)合過程減少，鈣鈦礦中由于擊穿而形成的缺陷位點增加。還可以看到PL變寬，并且認(rèn)為這種發(fā)射是由于在表面和/或帶邊界水平上捕獲的電荷載流子重組造成的。此外，鈣鈦礦的擊穿極大地改變了薄膜的電學(xué)特性，包括電阻率、遷移率和載流子分布。這些發(fā)現(xiàn)不僅強(qiáng)調(diào)了在鈣鈦礦薄膜的制造和測試過程中需要仔細(xì)優(yōu)化和管理環(huán)境條件，而且還強(qiáng)調(diào)了該領(lǐng)域未來的研究重點是開發(fā)新的抗溶劑材料并優(yōu)化其使用，以實現(xiàn)高性能鈣鈦礦薄膜的各種應(yīng)用，包括太陽能電池，led和傳感器
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采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系，能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、光學(xué)科研，紅外制導(dǎo)、面部識別、VR/AR應(yīng)用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框，工業(yè)燈具照明，廣告機(jī)，點餐機(jī)，電子白板，安防監(jiān)控等。
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我們的愿景：卷柔讓光學(xué)更具價值！
我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術(shù)！
我們的目標(biāo)：以高質(zhì)量的產(chǎn)品，優(yōu)惠的價格,貼心的服務(wù)，為客戶提供優(yōu)良的解決方案。
上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動力，通過鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學(xué)鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶，努力為客戶創(chuàng)造新的利潤空間和競爭優(yōu)勢，為中國的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
