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钙钛矿/硅叠层电池技术新进展:低压化学气相沉积(LP-CVD)技术实现高效稳定
日期:2025-05-16浏览量:70
钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其高效率(单结>26%、钙钛矿/硅叠层>34%)和低成本潜力,成为光伏领域的研究焦点。但溶液法制备的钙钛矿薄膜在大面积规模化生产中面临均匀性差、稳定性不足等挑战。低压化学气相沉积(Low-Pressure CVD, LP-CVD)技术凭借其高可控性、材料利用率高(>60%)及优异的薄膜均匀性,成为实现工业化生产的理想路径。
本文通过美能钙钛矿在线PL测试机对薄膜光致发光特性进行实时监控,结合AI深度学习优化工艺参数,系统研究CsBr与PbI₂沉积顺序对钙钛矿薄膜生长、离子迁移及电池性能的影响,开发了全真空工艺的高效半透明单结电池及钙钛矿/硅叠层电池,为规模化应用提供了新策略。
低压化学气相沉积(CVD)的制备与特性
钙钛矿薄膜的低压气相沉积过程示意图
制备工艺--采用两步LP-CVD法:
首先通过热蒸发沉积无机前驱体(CsBr/PbI₂),随后在低压腔室内进行甲脒碘化物(FAI)的气-固反应生成钙钛矿薄膜(Cs₁₋ₓFAₓPb(IₓBr₁₋ᵧ)₃)。
改变无机前驱体沉积顺序,制备两种样品:
CsBr-first:基底结构为ITO|NiOₓ|SAM|CsBr|PbI₂;
PbI₂-first:基底结构为ITO|NiOₓ|SAM|PbI₂|CsBr。
无机框架至钙钛矿的形貌演变
形貌与晶体演化:
CsBr-first样品中,PbI₂在30秒内完全转化为钙钛矿相,晶粒沿垂直方向快速生长,3分钟时形成致密双晶结构。
PbI₂-first样品反应速率较慢,残留PbI₂至30秒,晶粒横向融合过程延长。
XRD显示,CsBr-first样品早期出现δ-CsPb(I₁₋ₓBrₓ)₃中间相,而PbI₂-first样品生成CsPb₄I₈Br,最终均转化为α相钙钛矿。
钙钛矿成分与光致发光(PL)特性
成分分析
CsBr-first样品中Br⁻含量更高(I⁻/Br⁻强度比低),导致带隙展宽(1.60 eV vs 1.57 eV);
Cl⁻在界面富集,促进晶粒生长但未进入晶格。
退火影响:退火后(130°C, 1 h),两样品带隙进一步展宽,但CsBr-first仍保持更高Br⁻含量,表明离子交换不可逆。
光致发光(PL)特性:
气-固反应中钙钛矿的半原位光致发光(PL)
CsBr-first样品:PL峰在5-10秒红移至800 nm(FA⁺主导),随后蓝移至780 nm(Br⁻掺入);
PbI₂-first样品:PL峰在30-60秒发生类似蓝移,最终带隙更低(1.57 eV)。
钙钛矿薄膜的时间分辨共聚焦荧光显微镜图像(a) CsBr优先样品(b) PbI₂优先样品(c-d) 载流子寿命参数
载流子寿命:CsBr-first样品τₐᵥ₉=301.3 ns,非辐射复合较少;PbI₂-first样品τₐᵥ₉=242.7 ns,缺陷密度较高。
阳离子迁移对钙钛矿性能的影响
气-固反应中阳离子的迁移过程
Cs⁺迁移路径:
初始分布:CsBr-first样品表面富Pb²⁺、底部富Cs⁺;PbI₂-first样品反之。
反应过程:FA⁺扩散驱动Cs⁺迁移,10秒内Cs⁺从富集区向贫化区扩散,3分钟时垂直分布均匀。
影响机制:沉积顺序决定迁移路径,但不影响最终均匀性;迁移速率差异导致晶格收缩和带隙变化。
Br⁻与I⁻交换:
CsBr-first样品中,底层Br⁻更易进入晶格且难逃逸,形成高Br⁻含量钙钛矿;
PbI₂-first样品Br⁻交换受限,I⁻占比更高,带隙更窄。
钙钛矿太阳能电池性能与稳定性
半透明单结电池(ST-PSCs):
半透明钙钛矿太阳能电池(ST-PSCs)的光伏性能
CsBr-first电池:效率18.7%(Jₛc=22.7 mA/cm²,Vₒc=1.06 V,FF=0.78),稳态输出功率(qSPO)达18.1%;
PbI₂-first电池:效率17.1%(Jₛc=21.8 mA/cm²,Vₒc=1.05 V,FF=0.75),qSPO为16.9%。
稳定性:CsBr-first电池在200小时MPPT后保持94%效率,归因于真空沉积无溶剂残留及致密结构。
钙钛矿/硅叠层电池:
钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能
全真空工艺:顶部钙钛矿电池与底部TOPCon硅电池集成,效率达26.9%(Vₒc=1.71 V,Jₛc=20.2 mA/cm²,FF=0.78);
EQE响应:钙钛矿(300-800 nm)与硅(800-1200 nm)互补,总电流损失仅3.6 mA/cm²;
稳定性:200小时后效率保持80%,展示工业化潜力。
本文深入探究钙钛矿低压化学气相沉积技术(CVD)在高效叠层太阳能电池中的应用潜力,通过PL 实时监测钙钛矿薄膜光致发光特性,精准掌握薄膜生长动态与离子迁移规律。借助 AI 优化工艺参数,成功制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池及钙钛矿/硅叠层电池,验证了 LP-CVD 技术的产业化可行性,为钙钛矿光伏技术的发展提供有力支撑。
美能钙钛矿在线PL测试机
联系电话:400 008 6690
在线PL缺陷检测通过非接触、高精度、实时反馈等特性,系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点,并且结合AI深度学习,实现全自动缺陷识别与工艺反馈。
PL高精度成像:采用线扫激光,成像精度<50um/pix,(成像精度可定制)
高速在线PL检测缺陷:检测速度 ≤ 2s,漏检率 < 0.1%;误判率 < 0.3%
AI缺陷识别分类训练:实现全自动缺陷识别与工艺反馈
本研究通过系统解析LP-CVD钙钛矿的晶体生长与离子迁移机制,为高性能、高稳定性电池的设计与制备提供了理论依据。结合美能钙钛矿在线PL测试机的高精度缺陷检测与AI工艺反馈,进一步优化大面积薄膜均匀性,推动钙钛矿光伏技术从实验室迈向产业化。
原文出处:Low Pressure Chemical Vapor Deposited Perovskite Enables all Vacuum-Processed Monolithic Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells
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