磁控溅射与液相法协同制备钙钛矿太阳能电池：工艺、性能与优化策略.docxVIP

磁控溅射与液相法协同制备钙钛矿太阳能电池：工艺、性能与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求持续增长，传统化石能源的大量消耗引发了能源短缺和环境污染等严峻问题。在此背景下，开发清洁、可再生的新能源成为当务之急。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在众多新能源中脱颖而出，受到了广泛关注。太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键器件，其研发和应用对于推动能源转型具有重要意义。

钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池的代表，凭借其独特的优势，近年来成为光伏领域的研究热点。自2009年日本科学家小岛清（Kojima）等人制备出第一块钙钛矿太阳能电池以来，其光电转换效率从最初的3.8%迅速提升。到2023年7月，中国科学技术大学的徐集贤教授团队实现了26.1%的光电转换效率；2024年10月，南京大学谭海仁教授团队、仁烁光能（苏州）有限公司制备的1.05平方厘米的全钙钛矿叠层太阳能电池稳态光电转换效率达28.2%，刷新了该尺度全钙钛矿叠层太阳能电池的世界纪录。钙钛矿太阳能电池具有原材料丰富、成本低、制备工艺简单、可低温制备等优点，在光伏发电、电动汽车、建筑光伏一体化等领域展现出广阔的应用前景。

然而，钙钛矿太阳能电池在实际应用中仍面临一些挑战，如稳定性和寿命有待提高，大面积制备技术不够成熟等。制备工艺对钙钛矿太阳能电池的性能有着至关重要的影响。磁控溅射与液相法是两种常用的薄膜制备技术，在钙钛矿太阳能电池的制备中都有应用，但各自存在一定的局限性。将磁控溅射与液相法相结合，有望发挥两种方法的优势，克服单一方法的不足，从而提升钙钛矿太阳能电池的性能，推动其产业化进程。

本研究旨在深入探究磁控溅射与液相法相结合制备钙钛矿太阳能电池的工艺，通过优化工艺参数，制备出高性能的钙钛矿太阳能电池，并对其性能进行系统研究。这不仅有助于丰富钙钛矿太阳能电池的制备技术理论，还为其实际应用提供技术支持，对促进太阳能光伏产业的发展具有重要的现实意义。

1.2钙钛矿太阳能电池概述

钙钛矿太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。其结构通式为ABX?，其中A通常为有机阳离子（如甲胺离子CH?NH??、甲脒离子HC(NH?)??等）或碱金属离子（如铯离子Cs?），B为金属离子（如铅离子Pb2?、锡离子Sn2?等），X为卤族元素离子（如碘离子I?、溴离子Br?、氯离子Cl?等）。

钙钛矿太阳能电池通常具有典型的三明治叠层结构，由中间的钙钛矿吸光层，吸光层两侧的电子传输层、空穴传输层与最外层两侧的电极组成。当太阳光照射到电池上时，钙钛矿吸光层吸收光子，产生电子-空穴对（激子）。由于钙钛矿材料的激子结合能较低，在室温下激子很容易解离成自由电子和空穴。自由电子在电场作用下向电子传输层移动，进而传输至阴极；空穴则向空穴传输层移动，最终被阳极收集。这样，在电池的两极之间就形成了电势差，当外接负载时，就会有电流通过，实现了将太阳能转化为电能的过程。

钙钛矿太阳能电池的发展历程虽然短暂，但却取得了飞速的进步。2009年，日本科学家小岛清（Kojima）等人首次将钙钛矿材料应用于染料敏化太阳能电池中，制备出第一块钙钛矿太阳能电池，实现了3.8%的光电转换效率。此后，各国科研人员纷纷投入到钙钛矿太阳能电池的研究中，不断改进制备工艺和材料体系，使得电池的效率不断提升。2013年，钙钛矿被Science期刊评为了年度十大科学突破之一。2015年，韩国Seok领导的课题组经过对材料的比例进行优化，制备出了效率达20.1%的太阳能电池。2017年2月，杭州纤纳光电制备了15.2%转换效率太阳能电池，首次打破此前长期由日本保持的钙钛矿小组件的世界效率纪录，并在当年5月和12月，以16%和17.4%的转换效率实现了一年三破世界纪录的佳绩。到2023年7月，中国科学技术大学的徐集贤教授团队实现了26.1%的光电转换效率，展示了该领域的快速发展和巨大潜力。

钙钛矿太阳能电池具有诸多性能优势。首先，其光电转换效率提升迅速，已经接近传统硅基太阳能电池，且理论上还有较大的提升空间；其次，钙钛矿材料的吸光系数高，能够充分吸收太阳光中的光子，提高光的利用效率；再者，制备工艺相对简单，可采用溶液法、气相沉积法等多种方法制备，且可以在低温下进行，这不仅降低了制备成本，还使得其可以与柔性衬底兼容，有望应用于可穿戴设备、柔性电子等领域；此外，钙钛矿太阳能电池还具有良好的可加工性，可以通过调整材料的组成和结构，实现对电池性能的优化。

1.3磁控溅射与液相法在电池制备中的应