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

鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池的發(fā)展

薄膜質(zhì)量和厚度是影響鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)能電池的PCE。

例如，在高質(zhì)量有機(jī)無(wú)機(jī)鈣鈦礦薄膜的制備及其太陽(yáng)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(wèn)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(kāi)了一系列研究和討論。

通過(guò)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(yáng)能電池的PCE由12.3%提升至16.8%。

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(yáng)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(wú)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(guò)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(lái)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。傳感器將觸針的平衡位置的位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)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(guò)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(guò)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。

從彈性接觸的角度來(lái)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(wú)關(guān)。

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(guò)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(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

通過(guò)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(yáng)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(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。