鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率（單結(jié)>26%、鈣鈦礦/硅疊層>34%）和低成本潛力，成為光伏領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。但溶液法制備的鈣鈦礦薄膜在大面積規(guī)模化生產(chǎn)中面臨均勻性差、穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)。低壓化學(xué)氣相沉積（Low-Pressure CVD, LP-CVD）技術(shù)憑借其高可控性、材料利用率高（>60%）及優(yōu)異的薄膜均勻性，成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的理想路徑。本文通過美能鈣鈦礦在線PL測試機(jī)對薄膜光致發(fā)光特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)優(yōu)化工藝參數(shù)，系統(tǒng)研究CsBr與PbI?沉積順序對鈣鈦礦薄膜生長、離子遷移及電池性能的影響，開發(fā)了全真空工藝的高效半透明單結(jié)電池及鈣鈦礦/硅疊層電池，為規(guī)模化應(yīng)用提供了新策略。

低壓化學(xué)氣相沉積（CVD）的制備與特性

鈣鈦礦薄膜的低壓氣相沉積過程示意圖

• 制備工藝--采用兩步LP-CVD法：

• 首先通過熱蒸發(fā)沉積無機(jī)前驅(qū)體（CsBr/PbI?），隨后在低壓腔室內(nèi)進(jìn)行甲脒碘化物（FAI）的氣-固反應(yīng)生成鈣鈦礦薄膜（Cs???FA?Pb(I?Br???)?）。
• 改變無機(jī)前驅(qū)體沉積順序，制備兩種樣品：

• CsBr-first：基底結(jié)構(gòu)為 ITO | NiO? | SAM | CsBr|PbI? ；
• PbI?-first：基底結(jié)構(gòu)為 ITO | NiO? | SAM | PbI? | CsBr 。

無機(jī)框架至鈣鈦礦的形貌演變

• 形貌與晶體演化：

CsBr-first樣品中，PbI?在30秒內(nèi)完全轉(zhuǎn)化為鈣鈦礦相，晶粒沿垂直方向快速生長，3分鐘時(shí)形成致密雙晶結(jié)構(gòu)。PbI?-first樣品反應(yīng)速率較慢，殘留PbI?至30秒，晶粒橫向融合過程延長。XRD顯示，CsBr-first樣品早期出現(xiàn)δ-CsPb(I???Br?)?中間相，而PbI?-first樣品生成CsPb?I?Br，最終均轉(zhuǎn)化為α相鈣鈦礦。

鈣鈦礦成分與光致發(fā)光（PL）特性

• 成分分析

CsBr-first樣品中Br?含量更高（I?/Br?強(qiáng)度比低），導(dǎo)致帶隙展寬（1.60 eV vs 1.57 eV）； Cl?在界面富集，促進(jìn)晶粒生長但未進(jìn)入晶格。 退火影響：退火后（130°C, 1 h），兩樣品帶隙進(jìn)一步展寬，但CsBr-first仍保持更高Br?含量，表明離子交換不可逆。

• 光致發(fā)光（PL）特性：

氣-固反應(yīng)中鈣鈦礦的半原位光致發(fā)光（PL）

CsBr-first樣品：PL峰在5-10秒紅移至800 nm（FA?主導(dǎo)），隨后藍(lán)移至780 nm（Br?摻入）； PbI?-first樣品：PL峰在30-60秒發(fā)生類似藍(lán)移，最終帶隙更低（1.57 eV）。

鈣鈦礦薄膜的時(shí)間分辨共聚焦熒光顯微鏡圖像(a) CsBr優(yōu)先樣品(b) PbI?優(yōu)先樣品(c-d) 載流子壽命參數(shù)

載流子壽命：CsBr-first樣品τ???=301.3 ns，非輻射復(fù)合較少；PbI?-first樣品τ???=242.7 ns，缺陷密度較高。

陽離子遷移對鈣鈦礦性能的影響

氣-固反應(yīng)中陽離子的遷移過程

• Cs?遷移路徑：

初始分布：CsBr-first樣品表面富Pb2?、底部富Cs?；PbI?-first樣品反之。反應(yīng)過程：FA?擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)Cs?遷移，10秒內(nèi)Cs?從富集區(qū)向貧化區(qū)擴(kuò)散，3分鐘時(shí)垂直分布均勻。影響機(jī)制：沉積順序決定遷移路徑，但不影響最終均勻性；遷移速率差異導(dǎo)致晶格收縮和帶隙變化。

• Br?與I?交換：

CsBr-first樣品中，底層Br?更易進(jìn)入晶格且難逃逸，形成高Br?含量鈣鈦礦；PbI?-first樣品Br?交換受限，I?占比更高，帶隙更窄。

鈣鈦礦太陽能電池性能與穩(wěn)定性

• 半透明單結(jié)電池（ST-PSCs）：

半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的光伏性能

CsBr-first電池：效率18.7%（J?c=22.7 mA/cm2，V?c=1.06 V，F(xiàn)F=0.78），穩(wěn)態(tài)輸出功率（qSPO）達(dá)18.1%； PbI?-first電池：效率17.1%（J?c=21.8 mA/cm2，V?c=1.05 V，F(xiàn)F=0.75），qSPO為16.9%。 穩(wěn)定性：CsBr-first電池在200小時(shí)MPPT后保持94%效率，歸因于真空沉積無溶劑殘留及致密結(jié)構(gòu)。

• 鈣鈦礦/硅疊層電池：

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池性能

全真空工藝：頂部鈣鈦礦電池與底部TOPCon硅電池集成，效率達(dá)26.9%（V?c=1.71 V，J?c=20.2 mA/cm2，F(xiàn)F=0.78）； EQE響應(yīng)：鈣鈦礦（300-800 nm）與硅（800-1200 nm）互補(bǔ)，總電流損失僅3.6 mA/cm2； 穩(wěn)定性：200小時(shí)后效率保持80%，展示工業(yè)化潛力。本文深入探究鈣鈦礦低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）在高效疊層太陽能電池中的應(yīng)用潛力，通過PL實(shí)時(shí)監(jiān)測鈣鈦礦薄膜光致發(fā)光特性，精準(zhǔn)掌握薄膜生長動(dòng)態(tài)與離子遷移規(guī)律。借助 AI 優(yōu)化工藝參數(shù)，成功制備出高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦/硅疊層電池，驗(yàn)證了LP-CVD技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化可行性，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的發(fā)展提供有力支撐。

美能鈣鈦礦在線PL測試機(jī)

Millennial Solar

在線PL缺陷檢測通過非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識別與工藝反饋。

• PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜50um/pix，（成像精度可定制）
• 高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤ 2s，漏檢率< 0.1%；誤判率< 0.3%
• AI缺陷識別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識別與工藝反饋

本研究通過系統(tǒng)解析LP-CVD鈣鈦礦的晶體生長與離子遷移機(jī)制，為高性能、高穩(wěn)定性電池的設(shè)計(jì)與制備提供了理論依據(jù)。結(jié)合美能鈣鈦礦在線PL測試機(jī)的高精度缺陷檢測與AI工藝反饋，進(jìn)一步優(yōu)化大面積薄膜均勻性，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化。

原文參考：Low Pressure Chemical Vapor Deposited Perovskite Enables all Vacuum-Processed Monolithic Perovskite-Silicon TandemSolar Cells

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