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電流退火製備鈣鈦礦太陽能電池電流退火，太陽能電池，鈣鈦礦。

應用領域

光伏發電領域

成果簡介

鈣鈦礦薄膜質量對鈣鈦礦太陽能電池的性能有重要影響，通過薄膜製備工藝的優化，可以有效改善鈣鈦礦薄膜質量。我們研究室設計了一種新型的退火方法——電流退火，主要設計思想是利用基底中現成的 FTO 形成電流迴路，產生焦耳熱，從而實現對上面 的鈣鈦礦薄膜的快速加熱退火。它與傳統熱退火相比，所需時間短(僅需 5 s)，能耗低，而且退火更加均勻。

電流退火裝置圖 把兩個條形電極夾在鈣鈦礦/SnO2/FTO玻璃基底的兩條對邊上，電極與鈣鈦礦薄膜之間通過銅網直接接觸。當施加電壓之後，由於焦耳熱的產生，基底的溫度會升高，鈣鈦礦薄膜的顏色也會逐漸變黑，均勻生成鈣鈦礦相。由於加熱源 FTO與鈣鈦礦薄膜的距離只有幾十納米量級，因此電流退火加熱的速度要比熱台退火快得多，大功率的電流退火過程僅僅需要5 s。同時快速均勻的電流退火過程有助於提高鈣鈦礦薄膜的質量，從而改善器件性能。 XRD晶型測量表明電流退火製備的薄膜具有和熱台退火製備的薄膜相同的晶型結構，電流退火的薄膜衍射峰強度增大，衍射峰的半高全寬(FWHM)變小。鈣鈦礦薄膜中單晶尺寸D由公式FWHM= λ / (D*cos θ)給出，其中λ = 1.5418 Å 為入射光Cu的 Kα射線波長，θ = 14.1°/ 2 為入射角。經過計算電流退火的鈣鈦礦單晶尺寸比熱台退火的鈣鈦礦單晶尺寸增加40%。更高的衍射峰強度和更大的單晶尺寸都說明了電流退火下製備的鈣鈦礦薄膜具有更好的結晶性。時間分辨的熒光光譜的測量表明電流退火可以有效減少多晶薄膜中缺陷。 基於電流退火下鈣鈦礦薄膜良好的特性，我們製備了鈣鈦礦太陽能電池器件，器件的結構為 FTO/SnO2/MAPbI3/spiro-OMeTAD/Au。相對於基於常規熱台退火的參比器件，平均光電轉換效率，短路電流密度、 開路電壓、填充因子具有提升。我們將器件性能提升的原因歸結於鈣鈦礦薄膜質量的提升:由於大功率的快 速電流退火下製備的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒和更少的針孔，鈣鈦礦層中的缺陷態更少，導致器件的漏電流減小，從而改善器件性能。非封裝器件在相同的外部環境情況下，電流退火器件的穩定性稍微高於熱台退火器件。 基於電流退火下鈣鈦礦薄膜和器件的性能改善，我們進一步將電流退火方法進行了擴展。使用電流退火技術處理了電子傳輸層 SnO2層。電流退火方法在沒極大地節約了工藝時間和能源消耗，對以後的鈣鈦礦太陽能電池的工業化量產具有借鑑意義。

總結

電流退火技術的優點：電流退火方法置簡單；加熱比較迅速，電流退火只需要 5 s。將原本電子傳輸層和鈣鈦礦層的兩次分別退火簡化為一次電流退火，極大地減少了工藝時間和能源消耗，適用於大面積器件高效製備。電流退火有助於鈣鈦礦從下往上有序結晶，消除下層溶劑揮發對上層已結晶鈣鈦礦的破壞，鈣鈦礦薄膜質量的提升有助於減少器件中的載流子複合和漏電流，有利於鈣鈦礦薄膜的均一性。

經濟效益與社會效益

鈣鈦礦太陽能電池的製備過程極大影響其特性，且更決定其價格，大面積鈣鈦礦的製備非常重要，鈣鈦礦電池可用於多種交通工具及室外用品，如無人機，無人船，野外帳篷，屋頂等，也可以用於攜帶器件，柔性電池的推廣及應用將產生巨大經濟效益與社會效益。