北大邹德春教授Adv. Sci.:磁控溅射制备钙钛矿薄膜和高效平面异质结太阳能电池

【引言】

金属卤化物钙钛矿（ABX₃，其中A是有机阳离子，B是金属阳离子，X是卤化物离子）具有高吸收系数和极好的电荷载流子迁移率，已广泛应用于光伏技术，并且钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率已经从3.8%上升到 25.5%。同时，制备高质量的钙钛矿薄膜，减少钙钛矿层内部和层接触处的电荷复合损失，对所得太阳能电池的性能起着重要作用，近年来引起了极大的关注。尽管在效率和稳定性方面取得了巨大进步，但钙钛矿太阳能电池在实际应用中仍面临稳定性的挑战。磁控溅射作为一种成熟的薄膜制备技术，已被广泛用于制备金属，金属氧化物和半导体薄膜，在制备PSCs方面具有很大的应用潜力。此外，高效PSCs是否可以从实验室制备转变为商业规模的高通量生产，同时将效率损失降至最低至关重要。虽然已有钙钛矿薄膜的制备研究，但无法实现无溶液，长连续和稳定沉积。更加具体来说，在原材料，无毒溶剂和设备简单的情况下，制备高质量和大面积的钙钛矿薄膜仍然是商业和工业应用中的最大挑战。

近日，北京大学邹德春教授（通讯作者）提出了一种独特的技术，通过磁控溅射制备了高质量钙钛矿薄膜，实现成分可控，无溶剂，大面积和批量生产。该策略通过磁控溅射和后处理（用碘化甲烷气体和甲胺气体处理的蒸气辅助处理）将钙钛矿材料从粉末转变为薄膜，这对制备串联太阳能电池非常有利。实验结果表明，通过磁控溅射制备的钙钛矿薄膜PSCs的功率转换效率 (PCE) 为6.14%。经过优化，获得了具有优异电子性能的高性能钙钛矿薄膜，并实现了具有优异重复性的稳定PSC，其PCE高达15.22%。这种全新的合成方法开辟了一种新的和有前途的方法，在平面异质结和串联PSC的商业应用中的大面积生产中实现高通量磁控溅射。相关研究成果以“Organic-Inorganic Perovskite Films and Efficient Planar Heterojunction Solar Cells by Magnetron Sputtering”为题发表在Adv. Sci.上。

【图文导读】

图一、材料合成及表征

（a）通过溅射和后处理工艺制备钙钛矿的策略；

（b）钙钛矿粉；

（c）钙钛矿靶；

（d）磁控溅射钙钛矿薄膜；

（e）磁控溅射和后处理的钙钛矿薄膜；

（f）PSC的横截面SEM图像。

图二、磁控溅射制备钙钛矿薄膜的微观结构和性能表征

（a）MSMAPbI₃-A，MSMAPbI₃-V和MSMAPbI₃-P薄膜的XRD图谱；

（b-f）SMMAPbI₃薄膜，SMMAPbI₃-MA薄膜，MSMAPbI₃-A薄膜，MSMAPbI₃-V 薄膜和MSMAPbI₃-P薄膜的SEM图像；

（g）钙钛矿薄膜的晶体生长机理；

（h）SMMAPbI₃-MA, MSMAPbI₃和MSMAPbI₃-P薄膜的紫外-吸收光谱；

（i）SMMAPbI₃-MA, MSMAPbI₃-V和MSMAPbI₃-P薄膜的稳态光致发光 (PL) 光谱；

（j）SMMAPbI₃-MA，MSMAPbI₃-V和MSMAPbI₃-P薄膜的PL图谱。

图三、钙钛矿太阳能电池性能

（a）基于MSMAPbI₃-P和SMMAPbI₃-MA的太阳能电池性能；

（b）30个设备的性能分布；

（c）光电转化效率（IPCE）图谱。

图四、MAPbI_3-xCl_x薄膜的性质

（a）钙钛矿薄膜的XRD图谱；

（b）MSMAPbI_3-xCl_x-P，SMMAPbI_3-xCl_x和SMMAPbI_3-xCl_x-MA薄膜的紫外-吸收光谱；

（c）MSMAPbI_3-xCl_x-P，SMMAPbI_3-xCl_x和SMMAPbI_3-xCl_x-MA薄膜的稳态PL图谱；

（d-f）MSMAPbI_3-xCl_x-P，SMMAPbI_3-xCl_x和SMMAPbI_3-xCl_x-MA薄膜的SEM图像。

图五、钙钛矿太阳能电池的性能

（a）基于MSMAPbI_3-xCl_x-P-，SMMAPbI_3-xCl_x-和SMMAPbI_3-xCl_x-MA的太阳能电池的性能；

（b）30台设备的性能分布；

（c）光电转化效率（IPCE）图谱；

（d）在氮气气氛和15-25℃温度下储存的无封装PSC的PCE演变。

【小结】

综上所述，本文证明了通过磁控溅射技术能够无溶液制备具有钙钛矿活性层的PSCs，可以将钙钛矿材料从粉末转变为高性能太阳能电池的薄膜。使用这种策略可以在几分钟内制备出极其均匀和致密的钙钛矿薄膜。本研究不仅探讨了通过磁控溅射MSMAPbI₃成膜的详细条件，也证明了引入Cl可以进一步将器件的 PCE提高15%以上。这种改进是一种全新的合成方法能够制备具有可控成分，无溶剂制备，大规模和大面积生产的钙钛矿薄膜。这种通过磁控溅射制备钙钛矿薄膜的新方法为PSCs的工业化生产开辟了一种新的和有前途的途径。

文献链接：“Organic-Inorganic Perovskite Films and Efficient Planar Heterojunction Solar Cells by Magnetron Sputtering”(Adv. Sci.，2021，10.1002/advs.202102081)

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