Menisk-assisteret teknik producerer højeffektiv perovskite PV-film

En ny lavtemperatur-løsningsudskrivningsteknik muliggør fremstilling af højeffektive perovskit-solceller med store krystaller beregnet til at minimere strøm-røvende korngrænser. Den menisk-assisterede løsningsudskrivningsteknik (MASP) øger effektkonverteringseffektiviteten til næsten 20 procent ved at kontrollere krystalstørrelse og -retning.

Processen, som bruger parallelle plader til at skabe en menisk af blæk, der indeholder metalhalogenid-perovskit-forstadier, kunne skaleres op til hurtigt at generere store områder med tæt krystallinsk film på en række forskellige substrater, herunder fleksible polymerer. Driftsparametre for fremstillingsprocessen blev valgt ved at bruge en detaljeret kinetikundersøgelse af perovskitkrystaller observeret gennem deres dannelses- og vækstcyklus.

"Vi brugte en menisk-assisteret løsningsudskrivningsteknik ved lav temperatur til at fremstille højkvalitets perovskitfilm med meget forbedret optoelektronisk ydeevne, " sagde Zhiqun Lin, en professor ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Vi begyndte med at udvikle en detaljeret forståelse af krystalvækstkinetik, der gjorde det muligt for os at vide, hvordan de præparative parametre skulle indstilles for at optimere fremstillingen af ​​filmene."

Den nye teknik er rapporteret 7. juli i tidsskriftet Naturkommunikation . Forskningen er blevet støttet af Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) og National Science Foundation (NSF).

Perovskites tilbyder et attraktivt alternativ til traditionelle materialer til at fange elektricitet fra lys, men eksisterende fremstillingsteknikker producerer typisk små krystallinske korn, hvis grænser kan fange de elektroner, der produceres, når fotoner rammer materialerne. Eksisterende produktionsteknikker til fremstilling af storkornede perovskitfilm kræver typisk højere temperaturer, hvilket ikke er gunstigt for polymermaterialer, der anvendes som substrater - hvilket kunne hjælpe med at sænke fremstillingsomkostningerne og muliggøre fleksible perovskit-solceller.

Så Lin, Forsker Ming He og kolleger besluttede at prøve en ny tilgang, der er afhængig af kapillærvirkning til at trække perovskitblæk ind i en menisk dannet mellem to næsten parallelle plader med ca. 300 mikron fra hinanden. Bundpladen bevæger sig kontinuerligt, tillader opløsningsmiddel at fordampe ved meniskkanten for at danne krystallinsk perovskit. Når krystallerne dannes, frisk blæk trækkes ind i menisken ved hjælp af den samme fysiske proces, som danner en kaffering på en absorberende overflade såsom papir.

"Fordi opløsningsmiddelfordampning udløser transporten af ​​prækursorer fra indersiden til ydersiden, perovskit-prækursorer akkumuleres ved kanten af ​​menisken og danner en mættet fase, " Lin forklarede. "Denne mættede fase fører til kernedannelse og vækst af krystaller. Over et stort område, vi ser en flad og ensartet film med høj krystallinitet og tæt vækst af store krystaller."

For at etablere den optimale hastighed for flytning af pladerne, afstanden mellem pladerne og temperaturen på den nederste plade, forskerne studerede væksten af ​​perovskitkrystaller under MASP. Brug af film taget gennem et optisk mikroskop til at overvåge kornene, de opdagede, at krystallerne først vokser med en kvadratisk hastighed, men langsomt til en lineær hastighed, da de begyndte at ramme deres naboer.

"Når krystallerne løber ind i deres naboer, som påvirker deres vækst, " bemærkede He. "Vi fandt ud af, at alle de korn, vi studerede, fulgte lignende vækstdynamik og voksede til en kontinuerlig film på substratet."

MASP-processen genererer relativt store krystaller - 20 til 80 mikron i diameter - der dækker substratoverfladen. At have en tæt struktur med færre krystaller minimerer de huller, der kan afbryde strømmen, og reducerer antallet af grænser, der kan fange elektroner og huller og tillade dem at rekombinere.

Ved hjælp af film produceret med MASP-processen, forskerne har bygget solceller, der har en effektkonverteringseffektivitet på i gennemsnit 18 procent - med nogle helt op til 20 procent. Cellerne er testet med mere end 100 timers drift uden indkapsling. "Stabiliteten af ​​vores MASP-film er forbedret på grund af den høje kvalitet af krystallerne, " sagde Lin.

Doctor-blading er en af ​​de konventionelle perovskit-fremstillingsteknikker, hvor højere temperaturer bruges til at fordampe opløsningsmidlet. Lin og hans kolleger opvarmede deres underlag til kun omkring 60 grader Celsius, hvilket ville være potentielt kompatibelt med polymersubstratmaterialer.

Indtil nu, forskerne har fremstillet prøver i centimeterskala, men de mener, at processen kunne skaleres op og anvendes på fleksible underlag, potentielt lette rulle-til-rulle kontinuerlig behandling af perovskitmaterialerne. Det kan være med til at sænke omkostningerne ved at producere solceller og andre optoelektroniske enheder.

"Den menisk-assisterede løsningsudskrivningsteknik ville have fordele for fleksible solceller og andre applikationer, der kræver en lavtemperatur kontinuerlig fremstillingsproces, "Lin tilføjede. "Vi forventer, at processen kan skaleres op til at producere høj gennemstrømning, storskala perovskite-film."

Blandt de næste trin er fremstilling af filmene på polymersubstrater, og evaluere andre unikke egenskaber (f.eks. termisk og piezotronisk) af materialet.