由布朗大学博士领导的研究 学生们揭示了制造用于太阳能电池的光吸收钙钛矿薄膜的新方法。
新方法涉及室温溶剂浴以产生钙钛矿晶体，而不是当前结晶方法中使用的热风。在皇家化学学会材料化学杂志 A上发表的一项研究表明，该技术可生产出高质量的结晶薄膜，可以精确控制大面积厚度，并可为钙钛矿电池的大规模生产方法指明方向。
钙钛矿是一类结晶材料，在清洁能源领域引起了不小的轰动。钙钛矿薄膜是优异的光吸收剂，并且比标准太阳能电池中使用的硅晶片制造成本低得多。钙钛矿电池的效率 - 阳光转化为电能的百分比 - 在短短几年内以惊人的速度增长。2009年推出的第一个钙钛矿电池的效率仅为4%左右，与标准硅电池所效率的25%相差甚远。但到去年，钙钛矿电池已被证明具有超过20%的效率。性能的快速提升是有希望的，研究人员正在竞相开始在商业产品中使用钙钛矿电池。
制作这些薄膜的方法有很多，但几乎所有这些方法都需要加热。将钙钛矿前体化学品溶解在溶液中，然后将其涂覆到基底上。施加热量以除去溶剂，使钙钛矿晶体在整个基材上形成薄膜。
“人们在相对较小的区域制作了很好的电影 - 只有几厘米左右的方形。但它们必须达到100到150摄氏度的温度，加热过程会产生许多问题，”Nitin说。 Padture，工程学教授，分子与纳米科学创新研究所所长。
例如，当热处理时，晶体通常不均匀地形成，在膜中留下微小的针孔。在太阳能电池中，那些针孔会降低效率。热还限制了可以沉积薄膜的基板。例如，柔性塑料基板不能使用，因为它们会被高温损坏。
Padture实验室的研究生Zhou Yuanyuan想看看是否有办法制作钙钛矿晶体薄膜而不必加热。他提出了所谓的溶剂 - 溶剂萃取(SSE)方法。
在他的方法中，将钙钛矿前体溶解在称为NMP的溶剂中并涂覆到基底上。然后，代替加热，将基材浸入二乙醚(DEE)中，二乙醚选择性地抓住NMP溶剂并将其搅拌掉。剩下的是一块超光滑的钙钛矿晶体薄膜。
由于不涉及加热，晶体几乎可以在任何基板上形成 - 甚至是柔性光伏器件中使用的热敏聚合物基板。另一个优点是整个SSE结晶过程花费不到两分钟，而热处理则需要一小时或更长时间。这使得该过程更适合大规模生产，因为它可以在装配线类型的过程中完成。
SSE方法还可以使薄膜制作得非常薄，同时保持高质量。标准钙钛矿膜通常约为300纳米厚。但是，周能够制作出高达20纳米的高质量薄膜。SSE薄膜也可以做得更大 - 几厘米见方 - 不会产生针孔。
“使用其他方法，当厚度低于100纳米时，你几乎无法完全覆盖胶片，”周说。“你可以制作一种薄膜，但是你会得到很多针孔。在我们的工艺过程中，你可以将薄膜均匀地形成20纳米，因为室温下的结晶更平衡，并且在沐浴后立即在整个薄膜上发生。”
研究人员称，这些超薄薄膜是部分透明的(标准厚度的薄膜是黑色和不透明的)，因此它们可用于制造光伏窗户。通过调整钙钛矿前体溶液组成，周能够制造出不同颜色的细胞。
“这些可能用于装饰性，建筑一体化的窗户，可以发电，”Padture说。
该小组计划进行更多工作以改进流程，但他们对早期结果感到鼓舞。与科罗拉多州国家可再生能源实验室的科学家合作，对SSE薄膜制成的电池进行的初步测试表明，转换效率超过15%。基于使用该方法制造的半透明80纳米薄膜的太阳能电池显示出比任何其他超薄薄膜更高的效率。
“我们认为这可能是朝着各种商用钙钛矿电池产品迈出的重要一步，”Padture说。