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

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晶粒生長的影響，特別介紹美能SP200探針式臺階儀在測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驗中，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，同時阻礙其復(fù)合，使太陽能電池的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，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、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)控制對于晶粒生長和電池性能至關(guān)重要。因此，精確測量薄膜厚度成為工藝把控的關(guān)鍵。美能SP200探針式臺階儀不同位置的多點自動測量確認(rèn)整片硅表面上薄膜的準(zhǔn)確厚度，無接觸損傷的精準(zhǔn)測量。

臺階儀接觸式表面形貌測量原理

臺階儀主要通過觸針在檢測物體表面移動時的微小上下運動來實現(xiàn)精密測量。當(dāng)觸針在表面滑動時，表面的微小峰谷使得觸針發(fā)生上下運動。這種運動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，并通過電橋進(jìn)行測量。輸出信號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信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，減小誤差對測量結(jié)果的影響。

從彈性接觸的角度來看，Hertz-Mindlin接觸是一個重要的理論基礎(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，這對于理解和預(yù)測接觸表面的力-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，對于塑性接觸，傳統(tǒng)上認(rèn)為兩個名義平坦的金屬表面之間的實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)致了一個結(jié)果，即實際接觸面積直接與載荷成正比，與表面顯著面積無關(guān)。

工件粗糙表面與夾具接觸的典型特征

此外，實驗研究也顯示，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)控制對于晶粒生長和電池性能至關(guān)重要。美能SP200探針式臺階儀全新探針式表面輪廓測量技術(shù)，能夠精密的測量薄膜的高度，臺階高度，2D形貌，表面粗糙度等參數(shù)。

美能探針式臺階儀

美能SP200探針式臺階儀采用接觸式表面形貌測量，可通過不同位置的多點自動測量確認(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)

● 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm

● 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺

● 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

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探針式臺階儀在薄膜厚度和表面形貌的精確測量中發(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)展提供了堅實基礎(chǔ)。