钙钛矿太阳能电池：优化薄膜质量与精准厚度测量

 

钙钛矿太阳能电池的性能受薄膜质量和厚度的影响。高质量薄膜提升了电子和空穴传输效率，减少能量损耗并延长载流子寿命。优化制备工艺，如使用低毒性溶剂和封闭蒸汽退火，可提高薄膜的结晶性和均匀性，提升光电转换效率（PCE）。本文探讨NEP溶剂在薄膜制备中的应用及封闭蒸汽退火对晶粒生长的影响，特别介绍美能SP200探针式台阶仪在测量薄膜厚度和表面形貌中的关键作用，这些技术有望推动高效钙钛矿太阳能电池的发展

 

 

薄膜质量和厚度是影响钙钛矿太阳能电池实际器件制造性能的关键因素

钙钛矿薄膜的质量直接影响到太阳能电池的光电转换效率（PCE）。高质量的钙钛矿薄膜具有大晶粒，有利于电子和空穴的快速传输，减少能量损耗，增加载流子的寿命。此外，通过优化制备工艺，如使用低毒性溶剂、封闭蒸汽式退火方式等，可以显著提高钙钛矿薄膜的结晶性和均匀性，从而提高太阳能电池的PCE。

 

例如，在高质量有机无机钙钛矿薄膜的制备及其太阳能电池的研究实验中，围绕制备高质量钙钛矿薄膜这一关键问题，选择绿色、低毒性溶剂以及针对溶剂在钙钛矿成膜中的作用展开了一系列研究和讨论。

 

通过添加NEP溶剂并采用封闭蒸汽式退火方式，可以获得柱状晶有助于电子和空穴的快速传输，同时阻碍其复合，使太阳能电池的PCE由12.3%提升至16.8%。

 

溶剂退火示意图；(b) 溶剂退火(SA) 与传统退火(TA) 制备出的薄膜的SEM

 

 

结合路易斯酸碱和溶解再结晶理论，在两步溶液旋涂法的第 一步Pbl₂/PbBr₂/DMF 溶液中引入低毒性 NEP溶剂，首先形成路易斯酸碱化合物Pbl₂·Sol(Sol=DMF 、NEP),接着该化合物与 CH(NH₂)₂I和 CH₃NH₃Br 反应生成钙钛矿中间相。Pbl₂·NEP   不仅为 FAI/MABr  的扩散提供通道，而且，添加剂 NEP 与 Pbl₂之间强的相互作用，延缓了 Pbl₂ 与 FAI/MABr  的反应，慢反应有助 于晶粒的生长，从而提高了钙钛矿薄膜的表面形貌。除此之外，采用封闭蒸汽式 退火方式，借助钙钛矿中间相中分布均匀的残留溶剂对钙钛矿薄膜起到溶解再结 晶作用，进一步促进晶粒的二次长大。基于溶剂的双重作用，钙钛矿薄膜的平均 晶粒尺寸从205nm 增加至718nm,平均载流子寿命从155ns 增加至561 ns。最  终，制备出结晶性好、缺陷少、载流子寿命长、晶粒成柱状的高质量钙钛矿薄膜，从而使得太阳能电池的光电转化效率由10.8%提升至17.0%。晶粒尺寸与薄膜厚度之间存在密切关系，薄膜厚度的均匀性和精准控制对于晶粒生长和电池性能至关重要。因此，精确测量薄膜厚度成为工艺把控的关键。美能SP200探针式台阶仪不同位置的多点自动测量确认整片硅表面上薄膜的准确厚度，无接触损伤的精准测量。

 

台阶仪接触式表面形貌测量原理

台阶仪主要通过触针在检测物体表面移动时的微小上下运动来实现精密测量。当触针在表面滑动时，表面的微小峰谷使得触针发生上下运动。这种运动在一定程度上反映了表面的轮廓。传感器将触针的平衡位置的位移转换为电信号，并通过电桥进行测量。输出信号与触针的平衡位置的位移成正比，经过放大和整流后，位移信号被解调，最终在控制器中读取。通过噪音滤波器和波度滤波器对信号进行进一步处理，减小误差对测量结果的影响。

从弹性接触的角度来看，Hertz-Mindlin接触是一个重要的理论基础，它考虑了粗糙界面的整体行为以及界面上的微凸（asperities）之间的相互作用。这种理论模型不仅包括了弹性变形，还考虑了摩擦滑动，这对于理解和预测接触表面的力-变形行为是非常关键的。此外，Hertz理论也被用于描述非粘附接触下的正常力与喂料水平的关系。

 

其次，对于塑性接触，传统上认为两个名义平坦的金属表面之间的实际接触面积由它们最高微凸的塑性变形决定。这一假设导致了一个结果，即实际接触面积直接与载荷成正比，与表面显著面积无关。

 

工件粗糙表面与夹具接触的典型特征

此外，实验研究也显示，在平坦表面接触中，弹性和塑性变形的比例取决于试样的强度参数和接触表面的粗糙度参数。晶粒尺寸与薄膜厚度之间存在密切关系，薄膜厚度的均匀性和精准控制对于晶粒生长和电池性能至关重要。美能SP200探针式台阶仪全新探针式表面轮廓测量技术，能够精密的测量薄膜的高度，台阶高度，2D形貌，表面粗糙度等参数。

美能探针式台阶仪

 

 

美能SP200探针式台阶仪采用接触式表面形貌测量，可通过不同位置的多点自动测量确认整片电池上薄膜的准确厚度。

 

● 配备500W像素高分辨率彩色摄像机

 

● 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm

 

● 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台

 

● 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

 

通过优化钙钛矿薄膜的制备工艺，显著提升了薄膜的结晶性和均匀性，提高了太阳能电池的光电转换效率美能SP200探针式台阶仪在薄膜厚度和表面形貌的精确测量中发挥了关键作用，薄膜特性的准确控制。这些技术和设备的结合，为高效钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了坚实基础。