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可以为混合光伏材料制造提供更温和途径的新技术

发布:opticsphotonics阅读:1135时间:2018-1-9 09:03:10

2018年1月5日,北卡罗来纳州达勒姆报道——一种用于制造钙钛矿太阳能电池混合薄膜材料的薄膜沉积方法,可能会引领下一代太阳能材料的开发。

杜克大学的研究人员已经开发出使用脉冲激光蒸发制造钙钛矿的方法。含有钙钛矿分子结构单元的溶液被冷冻,冷冻块在真空室中用激光喷射。激光蒸发了一小部分冰冻靶——大约是高尔夫球上一个凹痕的大小——而蒸汽在一个羽流中向上移动, 覆盖在设备上悬挂的任何物体的底部表面。一旦物体表面被完全涂覆, 薄膜沉积过程就会停止, 物体被加热以结晶分子的方式并将薄膜固定就位。

这种方法称为共振红外,基质辅助脉冲激光蒸发(RIR-MAPLE),是一种温和的薄膜沉积方法,适用于精细的杂化材料。它改良于1999年发明技术MAPLE。

在RIR-MAPLE中,激光器的频率被特意调谐匹配冷冻溶剂的分子键。这使得溶剂吸收大部分能量,使有机材料在传送到产品表面时不会受到损伤。

这是RIR-MAPLE技术的一个里程碑,它有能力建立新的太阳能电池晶体技术。实验台中央的白色圆圈是一个冷冻解决方案,它包含太阳能电池材料的分子结构单元,由激光冲击以蒸发溶液,该溶液携带材料涂覆在靶材上方的底部。图片由E. Tomas Barraza提供。

据研究团队介绍,RIR-MAPLE技术生产的钙钛矿薄膜的成分、形貌和光学性能与传统方法(如旋涂法)所产生的相类似。该设备的功率转换效率稳定在12%以上,这是通过激光烧蚀工艺沉积的钙钛矿太阳能电池的高价值所在,展示了新技术生产器件级质量薄膜的能力。

“RIR-MAPLE技术在材料的有机成分上是非常温和的,比其他基于激光的技术更加温和。这也使得它更有效, 获得相同的最终产品只需要一小部分有机材料,” RIR-MAPLE技术的开发者Adrienne Stiff-Roberts教授如是说。

甲基碘化铅(MAPbI3)是当今太阳能中最常用的钙钛矿之一,也是使用标准工业生产技术可以制造的少数几种钙钛矿之一。然而,复杂晶体结构中的有机和无机分子的混合物可能难以制造。有机元素特别微弱,但对于混合材料有效吸收和发光能力而言至关重要。

这是研究目标的冷冻解决方案的近观图, 其中包含构建太阳能电池材料的构造块。图片由E. Tomas Barraza提供。

“甲基碘化铅有一个非常简单的有机成分,却是一个非常高性能的光吸收剂,” David Mitzi教授说道。“如果我们能找到一种新的制造方法, 可以建立更复杂的分子组合, 它将为多功能材料开辟新的化学领域。”

尽管杜克研究所制造的材料具有比用其他激光技术制造的材料更高的太阳能电池效率,但是它们不如传统基于溶液的工艺制造的那些效率高。但研究人员的重点主要是展示一种可替代的太阳能材料制造方法。

这是在薄膜沉积过程结束之后RIR-MAPLE室内部的视图。原来的冷冻溶液都没有留在中心,因为它已经被蒸发掉,覆盖在上面悬挂的靶底。图片由E. Tomas Barraza提供。

“虽然基于溶液的技术也可以对有机物很温和,并且可以制造一些很好的混合光伏材料,但它们不能用于更复杂和难溶的有机分子,” Stiff-Roberts说道。

“通过RIR-MAPLE技术的这次演示,我们希望为太阳能电池行业打开一个全新的材料世界,” Mitzi说道。“我们同样认为这些材料可以用于其他应用,如发光二极管,光电探测器和X射线探测器等等。”

来源:https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62955

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