Nature SR:抗溶剂材料增强了环境制备钙钛矿薄膜的结构和光学性能
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直击摘要
论文作者以及其机构如上
钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有低成本、高效率太阳能的潜力，但其对水分的敏感性限制了其实际应用。目前的制造需要受控的环境，限制了批量生产。研究人员的目标是开发稳定的psc，在环境条件下具有更长的寿命。在这项研究工作中，我们研究了钙钛矿薄膜和太阳能电池在自然空气中制备和退火的稳定性，使用了四种不同的抗溶剂:甲苯、乙酸乙酯、乙醚和氯苯。薄膜(约300纳米厚)通过单步旋转镀膜沉积，并经受环境空气-气氛长达30天。我们监测了结晶度、电学性质和光学性能随时间的变化。结果表明，薄膜的结晶度、形貌和光电性能逐渐退化。值得注意的是，与其他溶剂相比，用乙酸乙酯制成的薄膜表现出优越的稳定性。这些发现有助于在正常环境条件下制造稳定和高性能的psc。此外，我们还讨论了可能的机器学习(ML)方法，以优化未来高效钙钛矿太阳能电池制造的材料结构和合成工艺参数
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背景介绍
钙钛矿材料具有较宽的吸收系数、较长的载流子扩散长度和较大的载流子迁移率等优异的光敏性和电子特性。这些特性使得钙钛矿材料对于光电器件的选择具有吸引力，例如光伏电池、发光二极管(LED)、光电探测器(pd)和金属-半导体-膳食光电探测器(msm - pd)。有趣的是，到目前为止，由钙钛矿材料(通常简称为PSCs)制成的太阳能电池的转换效率(通常称为PCE)约为25%，这是先进材料开发和设备工程过程的结果。主要在材料合成和评价方面的进步使得PSCs比传统的无机半导体薄膜太阳能电池更具竞争力比如硒化铜铟镓(CIGS)和碲化镉(CdTe)。预测由于钙钛矿层的增强和控制生长，PCE很快可以达到25%以上。*近在Ref上报道了0.05 cm2钙钛矿太阳能电池的准稳态PCE为26.15%，1.04 cm2钙钛矿太阳能电池的准稳态PCE为24.74%。该装置在65°C下连续工作1200小时后，其初始PCE达到95%。
此外，对于实际应用而言，PSCs在长时间内持续的环境耐久性是一个至关重要的问题，目前被认为是该研究领域的主要研究。暴露于湿度、氧气、热量和光线等环境因素会导致psc降解，从而影响其性能。为了适合商业化，psc必须在室外条件下表现出近25年的稳定性，而不会出现明显的表面降解。然而，PSCs的强度约为一年(迄今为止，文献中报道的*长周期)，这明显短于商业化的光伏技术，例如硅太阳能电池。特别是，PSCs的稳定性和短寿命是其在光伏领域商业化的一个重大障碍
在这项研究中，我们重点研究了钙钛矿材料和太阳能电池在自然环境条件下使用四种不同的反溶剂甲苯、乙酸乙酯、乙醚和氯苯制备和退火的稳定性。抗溶剂选择方法考虑了影响结晶过程和薄膜质量的几个方面，包括乙醚、甲苯、乙酸乙酯和氯苯。选择甲苯和氯苯，因为它们可以保证均匀的晶体形成。然而，选择非芳香族溶剂乙醚和乙酸乙酯，因为它们有望改善膜表面(光滑度)并实现快速溶剂提取。这种广泛的选择是为了探索获得优异薄膜形状和整体性能的丰富途径，包括各种结晶工艺及其对*终钙钛矿薄膜的影响。钙钛矿薄膜(约300纳米厚)是用一个简单的旋转镀膜机制成的，并储存在空气环境(实验室环境)中。证明了薄膜质量和特性的变化，并研究了抗溶剂材料对钙钛矿薄膜结构和光学性能的影响。所得结果反映了抗溶剂材料在提高钙钛矿薄膜质量和稳定性方面的潜力，为开发高效可靠的钙钛矿基光电器件铺平了道路。
在PSC制备之后，制备了100 nm的锌锡氧化物(ZTO)薄膜，然后在ZTO薄膜上自旋涂覆钙钛矿薄膜。通过对蜡烛烟灰法的部分修改，采用了抽孔层。在本研究中，使用蜡烛烟灰煅烧碳电极，因为它是一种廉价、稳定、环保且储量丰富的有潜力的抽孔电极材料。在FTO涂层的玻璃基板上放置金属掩膜，沉积蜡烛烟灰膜，然后在去除掩膜后用FTO/ZTO/钙钛矿堆栈夹紧。包括细胞结构的制造过程示意图如图1所示。
图1所示。(a)电池制造技术示意图，(b)太阳能电池的结构，(c)太阳能电池的能带图，(d)制造样品的图像。
图2。不同时间下钙钛矿膜的XRD谱图(*符号表示钙钛矿膜平面(110)的位置)
在一系列反溶剂下，钙钛矿薄膜降解过程中与PbI2转化相关的光学带隙如图3b所示。沉积膜对乙醚、乙酸乙酯、甲苯和氯苯的带隙分别为1.57 eV、1.57 eV、1.55 eV和1.58 eV。然而，在7天的曝光期后，可以观察到带隙的增加。甲苯和乙醚制备的薄膜带隙增幅*大，这与PbI2转化率的估计一致。总的来说，结果揭示了在钙钛矿薄膜中观察到的反溶剂选择和降解程度之间的明确关系。
一般来说，使用乙醚制备的薄膜表现出*高程度的降解，在环境大气中暴露7天后，大约75%的初始薄膜转化为PbI2。相反，与同期其他样品相比，使用乙酸乙酯制备的薄膜表现出*低程度的降解。这些降解率的差异反映在光谱带隙的偏差上，以及如图3c所示的薄膜照片。
图3。(a)不同抗溶剂对钙钛矿薄膜PbI2转化的降解，(b)光学带隙的变化对PbI2转化的影响，(c)显示了钙钛矿薄膜新鲜和暴露15 d的照片。
从XRD和UV-Vis光谱分析可以看出，使用乙酸乙酯制备的薄膜对室内环境湿度和光线具有更好的稳定性，我们试图了解该薄膜的PL特性。图4显示了用乙酸乙酯制备的钙钛矿薄膜在制备状态和暴露于环境大气7天后的光致发光光谱。
结果表明，暴露于环境大气后，吸收峰位置发生了明显的变化，光致发光强度降低。具体来说，制备的样品在约793 nm处表现出一个尖锐的吸收峰，而暴露于环境大气中7天的样品由于体复合而在约771 nm处表现出一个更宽的吸收峰。此外，暴露样品的光致发光强度显着降低，表明电荷载流子的损失和整体性能的下降。光致发光(PL)强度的降低可主要归因于辐射复合的下降或通过形成缺陷中心而导致的非辐射复合的增加，缺陷中心通常发生在分解过程中的钙钛矿中
图6。通过SWOT分析，总结了在钙钛矿薄膜开发中使用抗溶剂材料的认识
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得出结论
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