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鈣鈦礦太陽能電池:優(yōu)化薄膜質(zhì)量與精準(zhǔn)厚度測(cè)量

美能光伏 ? 2024-06-04 08:33 ? 次閱讀
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鈣鈦礦太陽能電池的性能受薄膜質(zhì)量和厚度的影響。高質(zhì)量薄膜提升了電子和空穴傳輸效率,減少能量損耗并延長(zhǎng)載流子壽命。優(yōu)化制備工藝,如使用低毒性溶劑和封閉蒸汽退火,可提高薄膜的結(jié)晶性和均勻性,提升光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。本文探討NEP溶劑在薄膜制備中的應(yīng)用及封閉蒸汽退火對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響,特別介紹美能SP200探針式臺(tái)階儀在測(cè)量薄膜厚度和表面形貌中的關(guān)鍵作用,這些技術(shù)有望推動(dòng)高效鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展

薄膜質(zhì)量和厚度是影響鈣鈦礦太陽能電池實(shí)際器件制造性能的關(guān)鍵因素

鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量直接影響到太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜具有大晶粒,有利于電子和空穴的快速傳輸,減少能量損耗,增加載流子的壽命。此外,通過優(yōu)化制備工藝,如使用低毒性溶劑、封閉蒸汽式退火方式等,可以顯著提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性和均勻性,從而提高太陽能電池的PCE。

例如,在高質(zhì)量有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦薄膜的制備及其太陽能電池的研究實(shí)驗(yàn)中,圍繞制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜這一關(guān)鍵問題,選擇綠色、低毒性溶劑以及針對(duì)溶劑在鈣鈦礦成膜中的作用展開了一系列研究和討論。

通過添加NEP溶劑并采用封閉蒸汽式退火方式,可以獲得柱狀晶有助于電子和空穴的快速傳輸,同時(shí)阻礙其復(fù)合,使太陽能電池的PCE由12.3%提升至16.8%。

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溶劑退火示意圖;(b) 溶劑退火(SA) 與傳統(tǒng)退火(TA) 制備出的薄膜的SEM

結(jié)合路易斯酸堿和溶解再結(jié)晶理論,在兩步溶液旋涂法的第 一步Pbl?/PbBr?/DMF 溶液中引入低毒性 NEP溶劑,首先形成路易斯酸堿化合物Pbl?·Sol(Sol=DMF 、NEP),接著該化合物與 CH(NH?)?I和 CH?NH?Br 反應(yīng)生成鈣鈦礦中間相。Pbl?·NEP 不僅為 FAI/MABr 的擴(kuò)散提供通道,而且,添加劑 NEP 與 Pbl?之間強(qiáng)的相互作用,延緩了 Pbl? 與 FAI/MABr 的反應(yīng),慢反應(yīng)有助 于晶粒的生長(zhǎng),從而提高了鈣鈦礦薄膜的表面形貌。除此之外,采用封閉蒸汽式 退火方式,借助鈣鈦礦中間相中分布均勻的殘留溶劑對(duì)鈣鈦礦薄膜起到溶解再結(jié) 晶作用,進(jìn)一步促進(jìn)晶粒的二次長(zhǎng)大?;谌軇┑碾p重作用,鈣鈦礦薄膜的平均 晶粒尺寸從205nm 增加至718nm,平均載流子壽命從155ns 增加至561 ns。最 終,制備出結(jié)晶性好、缺陷少、載流子壽命長(zhǎng)、晶粒成柱狀的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜,從而使得太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率由10.8%提升至17.0%。晶粒尺寸與薄膜厚度之間存在密切關(guān)系,薄膜厚度的均勻性和精準(zhǔn)控制對(duì)于晶粒生長(zhǎng)和電池性能至關(guān)重要。因此,精確測(cè)量薄膜厚度成為工藝把控的關(guān)鍵。美能SP200探針式臺(tái)階儀不同位置的多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量確認(rèn)整片硅表面上薄膜的準(zhǔn)確厚度,無接觸損傷的精準(zhǔn)測(cè)量。

臺(tái)階儀接觸式表面形貌測(cè)量原理

臺(tái)階儀主要通過觸針在檢測(cè)物體表面移動(dòng)時(shí)的微小上下運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量。當(dāng)觸針在表面滑動(dòng)時(shí),表面的微小峰谷使得觸針發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)在一定程度上反映了表面的輪廓。傳感器觸針的平衡位置的位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并通過電橋進(jìn)行測(cè)量。輸出信號(hào)與觸針的平衡位置的位移成正比,經(jīng)過放大和整流后,位移信號(hào)被解調(diào),最終在控制器中讀取。通過噪音濾波器和波度濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理,減小誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

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彈性接觸的角度來看,Hertz-Mindlin接觸是一個(gè)重要的理論基礎(chǔ),它考慮了粗糙界面的整體行為以及界面上的微凸(asperities)之間的相互作用。這種理論模型不僅包括了彈性變形,還考慮了摩擦滑動(dòng),這對(duì)于理解和預(yù)測(cè)接觸表面的力-變形行為是非常關(guān)鍵的。此外,Hertz理論也被用于描述非粘附接觸下的正常力與喂料水平的關(guān)系。

其次,對(duì)于塑性接觸,傳統(tǒng)上認(rèn)為兩個(gè)名義平坦的金屬表面之間的實(shí)際接觸面積由它們最高微凸的塑性變形決定。這一假設(shè)導(dǎo)致了一個(gè)結(jié)果,即實(shí)際接觸面積直接與載荷成正比,與表面顯著面積無關(guān)。

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工件粗糙表面與夾具接觸的典型特征

此外,實(shí)驗(yàn)研究也顯示,在平坦表面接觸中,彈性和塑性變形的比例取決于試樣的強(qiáng)度參數(shù)和接觸表面的粗糙度參數(shù)。晶粒尺寸與薄膜厚度之間存在密切關(guān)系,薄膜厚度的均勻性和精準(zhǔn)控制對(duì)于晶粒生長(zhǎng)和電池性能至關(guān)重要。美能SP200探針式臺(tái)階儀全新探針式表面輪廓測(cè)量技術(shù),能夠精密的測(cè)量薄膜的高度,臺(tái)階高度,2D形貌,表面粗糙度等參數(shù)。

美能探針式臺(tái)階儀

美能SP200探針式臺(tái)階儀采用接觸式表面形貌測(cè)量,可通過不同位置的多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量確認(rèn)整片電池上薄膜的準(zhǔn)確厚度。

● 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)

亞埃級(jí)分辨率,臺(tái)階高度重復(fù)性1nm

360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)

● 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

通過優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的制備工藝,顯著提升了薄膜的結(jié)晶性和均勻性,提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率美能SP200探針式臺(tái)階儀在薄膜厚度和表面形貌的精確測(cè)量中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,薄膜特性的準(zhǔn)確控制。這些技術(shù)和設(shè)備的結(jié)合,為高效鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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