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2024-05-22 返回

鈣鈦礦太陽能電池鍍膜為何需要使用手套箱？

鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells）：鈣鈦礦是鈣鈦礦太陽能電池中吸收光的材料，它吸收光子并產生電子-空穴對。之后，這個電子-空穴對會分離（也可能不會，這是導致太陽能電池效率低下的原因），釋放出電子和正電荷載流子。這些電子（負極）和空穴（正極）載流子分別被設備中的其他材料（傳輸層）收集，然后流出，在外部電路中產生電壓。人們嘗試用各種鈣鈦礦材料來制備PSCs，其中最常見的是MAPbI3。這種材料由甲基銨正離子嵌入Pb2+離子和碘離子(I-)組成的八面體框架。

與其他光伏材料相比，鈣鈦礦太陽能電池在性能的提升方面表現出了驚人的速度。近期，來自德國柏林科技大學的Steve Albrecht等研究者在Science正刊中報道了一個單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池，其認證的功率轉換效率高達29.15%，預計還會進一步提高。現如今，鈣鈦礦太陽能電池生產技術逐漸趨于成熟，生產設備也逐漸小型化和便捷化。繼2009年和2012年的早期關鍵實驗之后，人們對這些生產設備的興趣激增，目前正在進一步優化它們的性能，并尋找可行的商業應用路線。

研發歷史：

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應用于光伏發電領域后，因為性能優異、成本低廉、商業價值巨大，近年來，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現量產。近年來，中國某鈣鈦礦小組將轉換效率提升至 17.9%，穩態輸出效率達 17.3%，再一次證明了中國科學家在鈣鈦礦領域的技術領先優勢。

然而大部分太陽能電池無論材質如何在生產中都面臨著同樣的問題如何在電池表面進行鍍膜工序。

技術延展：

太陽能電池的制備過程主要分為薄膜的制備和后續的加工。后續的加工流程與硅基太陽能電池的后續加工有些類似，涉及到微納加工與封裝等流程，我們不做詳細介紹。對于薄膜的制備技術目前主要有液體旋涂和真空鍍膜兩類。旋涂技術由于設備簡單，易于快速搭建等特點很容易在實驗室實現。但是其規?；卣剐暂^差，器件的重復性和穩定性以及與后續加工流程的兼容性等方面仍有不足。在真空鍍膜方面目前較為流行的是采用物理氣象沉積（physical vapor deposition—PVD），例如熱蒸發等方式。而對于熱蒸發技術來說，在真空室中加熱鈣鈦礦前驅體，使它們向上蒸發并覆蓋在基片上。通過對過程的精細控制，形成所需的鈣鈦礦薄膜。熱蒸發方法制備出的薄膜不僅性能出色，同時還能與太陽能電池制造過程中需要的其他過程具備良好的兼容性 (例如，傳輸層和金屬接觸層的沉積也經常使用PVD)。

以制備鈣鈦礦太陽能電池的常用材料MA和Pb為例，MAI蒸發溫度約為150℃，而金屬鹵化物PbI需要400℃~500℃。這與常規的金屬熱蒸發相比溫度低很多，但對熱蒸發源溫度控制的精準性要求較高。傳統金屬熱蒸發更注重所能達到的高溫（可達~1800℃），如果采用傳統的蒸發源生長鈣鈦礦材料很容易導致溫度過沖，制備的薄膜性能不穩定，甚至前驅體會瞬間揮發殆盡導致生長失敗。鈣鈦礦光伏材料除了在較低溫度下生長之外，沉積速率也是一個重要的控制變量。由于沉積速率并非溫度的直接函數，鈣鈦礦材料在沉積時需要對每一個蒸發源的速率進行標定與檢測。通常在熱蒸發過程中，可以采用晶振探頭來探測每一個蒸發源的蒸發速率。對于常規的金屬熱蒸發過程，材料從蒸發源沿著直線方向到達襯底，按照類似于標準分布函數的規律在襯底上沉積成薄膜。然而對于非常易揮發的材料，例如MAI，蒸發過程中會首先在源上方形成較高的蒸氣壓，這會導致材料向側方擴散，導致材料在腔體的其他部位形成非必要的沉積。因此，對于鈣鈦礦光伏材料的沉積過程必須控制得更加精密，否則MAI容易導致其他材料的晶振傳感器被污染。

這也就是說：整個鈣鈦礦光伏材料的制備，都需要在一個絕對真空且干凈的環境中進行：目前所有的技術方法，都不能很好的解決鍍膜膜層均勻性的問題。噴涂法鍍膜過程中，噴中心鍍膜液富集多，造成花斑；表面刻蝕法因壓花玻璃表面成分難以均一，導致刻蝕反應的速度不一致造成膜厚不均勻；即使均勻性輥涂法，受制于玻璃厚薄差、輥道傳輸抖動等多種因素的制約，也難以達到高精度的一致性。在鍍膜均勻性無法進一步提高的情況下，其結果一方面造成組件的色差影響外觀，另一方面由于鍍膜玻璃各區域透光率不一致造成熱斑效應，影響組件的耐久性。

手套箱集成系統

雖然成品PSCs元件可以在大氣條件下使用，但通常有必要在惰性氣氛下進行器件封裝制造。因為在最后的保護涂層覆蓋之前，濕氣和氧氣會對材料性能造成影響。因此，一些PSC制備工作通常在惰性氣體(如純氬氣或氮氣)的手套箱中進行。針對這一問題，經過多年探索，伊特克斯提供的真空鍍膜系統，由真空鍍膜系統和真空手套箱系統集成而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，并在手套箱高純惰性氣體氛圍下進行樣品的存放、制備以及蒸鍍后樣品的檢測。

伊特克斯生產的真空鍍膜手套箱是一款整裝可直接使用的標準型真空手設備，由主作業倉、主過渡艙、工具過渡艙、抽真空系統以及各個零部件組合而成，具有高密閉性、保壓時間長、操作簡單等特點，可滿意院?？蒲泻托∨可a的應用。

實驗應用：

鈣鈦礦太陽能電池疊層實驗

在手套箱氮氣環境里里旋涂鈣鈦礦前驅液，避免接觸水和空氣，可以直接通過連接藏艙將制備好的鈣鈦礦電池傳到蒸發艙里，蒸發電極，全程實驗都可以做到無水無氧的環境下操作，以保證實驗的有效性；

方腔室自動門熱蒸發鍍膜機嵌入手套箱內，配套進口英?？的ず駜x，普發分子泵，北儀機械泵，4個蒸發源，合理的蒸發源布局，保證每個蒸發源到基片的距離完全一樣，提高了成膜質量和均勻性。

注：

本系統由真空鍍膜系統和手套箱系統集成而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，并在手套箱高純惰性氣體氛圍下進行樣品的存放、制備以及蒸鍍后樣品的檢測。主要用于太陽能電池鈣鈦礦、OLED和PLED、半導體制備等實驗研究與應用。

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