【引言】

近幾年，鈣鈦礦太陽電池的光電轉化效率屢創新高，在LED、光電探測器等領域也大放異彩，儼然成為一種“萬能材料”。然而，鉛的毒性問題始終是籠罩在電池產業化道路上的一片烏云。為了解決鉛毒問題，人們開始探索非鉛新材料，其中，錫是理論上和實驗上最有潛力成為高效無鉛太陽電池的重要元素。而最基本也是最重要前提是獲得高致密、無針孔的錫基鈣鈦礦薄膜。迄今，取得較好效率的薄膜大多出于反溶劑法，需要使用高毒性溶劑（如氯苯等），正所謂“按下葫蘆浮起瓢”。發展綠色工藝、利用綠色原料、制備高品質大面積（>20 cm²）錫基鈣鈦礦薄膜，是基礎研究的難點，更是工業化技術發展的關鍵。

【成果簡介】

近期，西安交通大學材料學院（材料國家重點實驗室）楊冠軍教授課題組在美國化學會旗下的國際知名期刊ACS Applied Materials & Interface上發表題為“Green Solution-Processed Tin-BasedPerovskite Films for Lead-Free Planar Photovoltaic Devices”的研究論文。論文第一作者為西安交通大學材料學院2017級博士研究生李小磊。利用課題組自主發展的液膜抽氣技術實現了高致密、無針孔錫基鈣鈦礦薄膜的制備，首次獲得了大面積（>20 cm²）錫基鈣鈦礦薄膜，摒棄高毒反溶劑、膜層材料無鉛、制備工藝高效環保，為未來錫基鈣鈦礦太陽電池的大面積制備和工業化應用提供了切實可行的技術路徑。最后，將抽氣處理的錫基鈣鈦礦薄膜應用在正向平面鈣鈦礦太陽電池中，實現了1.85%的轉換效率，這是c-TiO₂/Sn-Perovskite/HTM/Au結構中目前報道的最高效率。

【圖文導讀】

圖一：溶液涂膜-抽氣法制備高致密、無針孔錫基鈣鈦礦薄膜過程示意圖

文字說明：第一步，均勻涂覆鈣鈦礦液膜；第二步，利用抽氣法在幾秒內快速完成液膜干燥，獲得均勻致密的錫基鈣鈦礦膜；第三步，經熱處理后，晶粒長大、結構優化。

圖二：加熱干燥處理、反溶劑處理及抽氣處理法制備錫基鈣鈦礦膜及相應的成膜機理。

文字說明：1. 常規加熱干燥：溶劑揮發速度極慢，成核位點少，薄膜最終呈樹枝晶，大片區域裸露；2. 反溶劑處理：溶劑揮發較快，成核位點多，但因環境氣氛、操作手法等導致薄膜仍存在局部針孔。3. 抽氣處理：溶劑揮發極快（低于5秒），形核位點更多，形成致密、無針孔鈣鈦礦薄膜。

圖三：大面積（20.25 cm ²）錫基鈣鈦礦膜及3種方法制備的薄膜的XRD及UV-Vis對比

圖四：器件結構及光伏效率

【小結】

本文首次實現了大面積（>20 cm²）錫基鈣鈦礦薄膜的制備，膜層材料無鉛、無高毒反溶劑、制備工藝綠色高效，為未來錫基鈣鈦礦太陽電池的大面積制備提供了切實可行的技術路徑。將抽氣處理的錫基鈣鈦礦薄膜應用在正向平面鈣鈦礦太陽電池中，實現了1.85%的轉換效率，這是c-TiO₂/Sn-Perovskite/HTM/Au結構的目前報道的最高效率。