钙钛矿太阳能电池各功能层制备工艺汇总

　　钙钛矿太阳能电池在能源领域具有重要地位，其主要组成部分包括传输层、电极和活性层。这些部件的制备工艺对于电池性能的发挥起着关键作用，制备工艺的多样性为钙钛矿太阳能电池的优化提供了多种可能途径，以下介绍了多种方法并对比了各工艺之间的优点以及工艺局限性

　　1.各类钙钛矿带隙以及价带导带位置

　　锡基钙钛矿中，导带和价带的耦合比铅基钙钛矿弱，这是由于锡原子轨道结合较弱。锡基钙钛矿的价带最大值由锡原子轨道贡献，导带最小值由铅原子轨道贡献，从而共同决定了合金钙钛矿的带隙范围。

　　2.钙钛矿层制备工艺总结：

　　1） 刮刀涂覆 (Blade Coating / D-bar Coating)

　　工作原理：通过刀片或圆柱形杆将前驱溶液均匀分布在基底表面。

　　优势：精确控制薄膜厚度（调整溶液量、涂覆速度、空气辅助刀等参数）。简单易扩展，适用于连续生产。

　　挑战：需优化流体动力学、涂覆速度及干燥条件以提高均匀性。避免缺陷，如界面接触不良和钙钛矿岛屿形成。

　　改进措施：添加表面活性剂以减小表面张力梯度（诱导Marangoni流动），避免岛屿形成。

　　2）缝隙涂覆 (Slot-die Coating)

　　工作原理：通过缝隙模头将前驱溶液注入基底并形成均匀薄膜。

　　优势：高效、低材料浪费。适用于大面积生产，薄膜厚度可通过溶液流速、溶液浓度和基底速度调控。

　　挑战：稳定涂覆液珠及控制薄膜均匀性。需优化模头设计和干燥条件。

　　关键因素：液珠和弯月面的稳定性。基底和空气刀温度影响薄膜形貌及光伏性能。

　　3）喷涂 (Spray Coating)

　　工作原理：通过喷嘴将溶液雾化成微小液滴，沉积到基底上形成薄膜。

　　优势：适用于多层薄膜制备和柔性太阳能电池。可通过溶剂工程控制结晶过程。

　　挑战：雾化液滴的大小和均匀性对薄膜质量影响显著。目前效率低于刮刀和缝隙涂覆。

　　改进措施：调节溶剂蒸发速率（例如组合慢挥发和快挥发溶剂）。提前加热基底以改善晶粒尺寸和薄膜质量。

　　4）喷墨打印 (Inkjet Printing)

　　工作原理：通过压电换能器产生压力脉冲，将微小墨滴以预定义图案喷射到基底。

　　优势：高精度控制（可实现亚100 nm 图案化）。材料利用率高，适用于定制化需求。

　　挑战：对墨水粘度、表面张力和密度要求严格，非优化墨水可能堵塞喷嘴。难以实现大面积均匀涂覆。

　　改进措施：优化墨水配方和喷射参数以降低缺陷。

　　5）干法工艺：蒸镀&CVD

　　优点：

　　无溶剂制备：避免使用有害溶剂（如 DMF、DMSO 和 γ-丁内酯），减少对环境和健康的危害。

　　适用性强：可制备难溶性或对氧敏感的全无机钙钛矿（如 CsPbI₃ 和锡基钙钛矿）。

　　适配复杂基底：实现纹理化基底上的均匀涂覆，适用于钙钛矿-硅双结太阳能电池。

　　多层结构制备：能构建溶液法难以实现的多层钙钛矿结构。

　　高可重复性和可扩展性：制备过程更加可控，减少批间差异，适合大规模生产。真空技术已在许多工业领域成熟应用。

　　缺点：

　　设备成本高：需要复杂的真空设备（如热蒸发仪），初始投资大。

　　工艺复杂：需要精确控制工艺参数（如蒸发速率、真空度），增加技术门槛。

　　材料利用率低：热蒸发过程中的材料浪费较多，不如溶液法高效。

　　薄膜均匀性挑战：在大面积基底上的薄膜均匀性控制较难，可能影响光伏器件性能。

　　能耗较高：需要高温蒸发和真空维持，能耗相对较大。

　　3.传输层沉积工艺

　　1）溶液法 

　　特点：适用于金属氧化物（如 TiO₂、SnO₂、ZnO、NiOₓ）、有机材料（如 Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA）。

　　常用工艺：旋涂、缝隙涂覆、化学浴沉积、喷涂、电化学沉积。

　　优点：工艺简单，低成本，不需要复杂设备，适用于大多数实验室环境。化学可调性：特别适用于有机传输层，可通过分子设计优化能级匹配。

　　缺点：

　　高温退火要求：金属氧化物（如 TiO₂）需高温退火（~500°C），限制柔性基底应用。

　　缺陷多：溶液工艺容易引入溶剂残留、缺陷和不均匀性。

　　溶剂相容性问题：有些溶剂会与钙钛矿反应，导致界面损伤。

　　厚度控制有限：难以实现亚纳米级厚度控制。

　　2）干法

　　特点：适用于金属氧化物（如 NiOₓ、SnO₂、ZnO）、富勒烯（如 C60）、自组装单层 (SAM)。

　　常用工艺：原子层沉积 (ALD)、磁控溅射 (Sputtering)、脉冲激光沉积 (PLD)、热蒸发 (Thermal Evaporation)、电子束蒸发 (E-beam Evaporation)。

　　优点：

　　高薄膜质量：薄膜结晶度高、致密且缺陷少。

　　精确控制：能够实现厚度和成分的精确调控（亚纳米级别）。

　　界面友好：避免溶液相互作用对基底或下层的损伤。

　　可适配复杂基底：适合纹理化或柔性基底。

　　缺点：

　　设备昂贵：需要真空系统和复杂的硬件支持。

　　时间成本高：例如热蒸发需长时间预处理和沉积。

　　难以规模化：工艺通常受到设备尺寸的限制，制备大面积薄膜较难。

　　材料利用率低：材料浪费较多，特别是高价材料（如富勒烯）。

　　4.电极常用材料及制备工艺：

　　1）金属氧化物透明导电层：ITO、FTO Sputtering后高温处理。

　　优点：高光电导率，适用于玻璃基底。

　　缺点：高温处理（~500°C）限制柔性基底应用。纹理化或弯曲表面易出现裂纹。

　　2）金属网：溅射和蚀刻或溶液法制备金属纳米线（如银、铜、金）。

　　优点：高导电性和透明性。

　　缺点：制备成本高，容易导致金属离子迁移，引发钙钛矿降解。

　　3）碳基材料：石墨烯、碳纳米管 (CNTs)。溶液法或干法（热胶带转移、酸浴漂浮法）。

　　优点：优异的机械柔性，适用于可折叠和可弯曲设备。中性着色，低雾度，适合光伏应用。

　　缺点：表面粗糙度较高，传输性能略逊于金属氧化物。