導(dǎo)語：

與其他光伏材料相比，鈣鈦礦太陽能電池在性能的提升方面表現(xiàn)出了驚人的速度。近期，來自德國(guó)柏林科技大學(xué)的Steve Albrecht等研究者在Science正刊中報(bào)道了個(gè)單片鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池，其認(rèn)證的功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)29.15%，預(yù)計(jì)還會(huì)進(jìn)步提高?，F(xiàn)如今，鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)技術(shù)逐漸趨于成熟，生產(chǎn)設(shè)備也逐漸小型化和便捷化。繼2009年和2012年的早期關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)之后，人們對(duì)這些生產(chǎn)設(shè)備的興趣激增，目前正在進(jìn)步化它們的性能，并尋找可行的商業(yè)應(yīng)用路線。本文，我們將帶您看看鈣鈦礦太陽能電池材料的制造過程和相關(guān)技術(shù)。

什么是鈣鈦礦太陽能電池 

鈣鈦礦太陽能電池(PSC)顧名思義是由鈣鈦礦材料作為核心部件制備的太陽能電池。鈣鈦礦材料的種類很多，但它們都有ABX3的化學(xué)通式，其中A和B是陽離子，X是陰離子。在鈣鈦礦光伏材料中，B通常是金屬陽離子，X是鹵族元素，A可以是有機(jī)或無機(jī)陽離子。重要的是，這些成分必須以種定的幾何結(jié)構(gòu)排列，A穿插在陽離子BX6八面體的間隙。如下圖所示。

鈣鈦礦太陽能電池材料晶格結(jié)構(gòu)的3D示意圖（中央亮斑為B，紅色為X，藍(lán)色為A）

鈣鈦礦是鈣鈦礦太陽能電池中吸收光的材料，它吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。之后，這個(gè)電子-空穴對(duì)會(huì)分離（也可能不會(huì)，這是導(dǎo)致太陽能電池效率低下的原因），釋放出電子和正電荷載流子。這些電子（負(fù)）和空穴（正）載流子分別被設(shè)備中的其他材料（傳輸層）收集，然后流出，在外部電路中產(chǎn)生電壓。人們嘗試用各種鈣鈦礦材料來制備PSCs，其中常見的是MAPbI₃。這種材料由甲基銨正離子嵌入Pb²⁺離子和碘離子(I^-)組成的八面體框架。

鈣鈦礦光伏薄膜材料制備

太陽能電池的制備過程主要分為薄膜的制備和后續(xù)的加工。后續(xù)的加工流程與硅基太陽能電池的后續(xù)加工有些類似，涉及到微納加工與封裝等流程，我們不做詳細(xì)介紹。對(duì)于薄膜的制備技術(shù)目前主要有液體旋涂和真空鍍膜兩類。旋涂技術(shù)由于設(shè)備簡(jiǎn)單，易于快速搭建等點(diǎn)很容易在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。但是其規(guī)模化拓展性較差，器件的重復(fù)性和穩(wěn)定性以及與后續(xù)加工流程的兼容性等方面仍有不足。在真空鍍膜方面目前較為流行的是采用物理氣象沉積（physical vapor deposition—PVD），例如熱蒸發(fā)等方式。

對(duì)于熱蒸發(fā)技術(shù)來說，在真空室中加熱鈣鈦礦前驅(qū)體，使它們向上蒸發(fā)并覆蓋在基片上。通過對(duì)過程的精細(xì)控制，形成所需的鈣鈦礦薄膜。熱蒸發(fā)方法制備出的薄膜不僅性能出色，同時(shí)還能與太陽能電池制造過程中需要的其他過程具備良好的兼容性 (例如，傳輸層和金屬接觸層的沉積也經(jīng)常使用PVD)。

熱蒸發(fā)制備方案概要

以制備鈣鈦礦太陽能電池的常用材料MAI（methylammonium iodide）和PbI（lead iodide）為例，MAI蒸發(fā)溫度約為150℃，而金屬鹵化物PbI需要400℃~500℃。這與常規(guī)的金屬熱蒸發(fā)相比溫度低很多，但對(duì)熱蒸發(fā)源溫度控制的準(zhǔn)確性要求較高。傳統(tǒng)金屬熱蒸發(fā)更注重所能達(dá)到的高溫（可達(dá)~1800℃），如果采用傳統(tǒng)的蒸發(fā)源生長(zhǎng)鈣鈦礦材料很容易導(dǎo)致溫度過沖，制備的薄膜性能不穩(wěn)定，甚至前驅(qū)體會(huì)瞬間揮發(fā)殆盡導(dǎo)致生長(zhǎng)失敗。鈣鈦礦光伏材料除了在較低溫度下生長(zhǎng)之外，沉積速率也是個(gè)重要的控制變量。由于沉積速率并非溫度的直接函數(shù)，鈣鈦礦材料在沉積時(shí)需要對(duì)每個(gè)蒸發(fā)源的速率進(jìn)行標(biāo)定與檢測(cè)。通常在熱蒸發(fā)過程中，可以采用晶振探頭來探測(cè)每個(gè)蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率。對(duì)于常規(guī)的金屬熱蒸發(fā)過程，材料從蒸發(fā)源沿著直線方向到達(dá)襯底，按照類似于標(biāo)準(zhǔn)分布函數(shù)的規(guī)律在襯底上沉積成薄膜。然而對(duì)于非常易揮發(fā)的材料，例如MAI，蒸發(fā)過程中會(huì)在源上方形成較高的蒸氣壓，這會(huì)導(dǎo)致材料向側(cè)方擴(kuò)散，導(dǎo)致材料在腔體的其他部位形成非必要的沉積。因此，對(duì)于鈣鈦礦光伏材料的沉積過程必須控制得更加精密，否則MAI容易導(dǎo)致其他材料的晶振傳感器被污染。

業(yè)的低溫?zé)嵴舭l(fā)技術(shù)與設(shè)備

英國(guó)Moorfield 公司基于多年的薄膜設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)布了低溫蒸發(fā)(LTE)技術(shù)和相關(guān)設(shè)備。這使得科研人員能夠快速建立高性能的鈣鈦礦光伏薄膜沉積系統(tǒng)。Moorfield 公司用于鈣鈦礦太陽能電池制備的設(shè)備包括臺(tái)式nanoPVD - T15A，以及功能增強(qiáng)型的落地式MiniLab系列。這樣的低溫?zé)嵴舭l(fā)系統(tǒng)具有以下幾方面的點(diǎn)：

• 低溫蒸發(fā)源與控制器：超低的熱容量，可選擇主動(dòng)水冷方案實(shí)現(xiàn)選定控制和小的溫度過沖；基于傳感器的PID反饋回路使得溫度、功率或沉積速率可控。

• 石英晶振傳感器探頭：水冷式，降低溫度影響。業(yè)設(shè)計(jì)和安裝位置，在生長(zhǎng)高蒸汽壓鈣鈦礦前驅(qū)體時(shí)使信號(hào)“串?dāng)_”小化。

• 真空系統(tǒng)：業(yè)真空腔體設(shè)計(jì)和定制，包括可選的耐腐蝕泵組系統(tǒng)和預(yù)抽保護(hù)功能。

• 過程控制：采用進(jìn)的自動(dòng)過程控制器，允許多階段程序設(shè)定操作，每個(gè)階段包含單個(gè)或多個(gè)源蒸發(fā)（即共同蒸發(fā)），反饋回路控制每個(gè)源的速率。

• 多功能配置：允許在個(gè)系統(tǒng)上通過不同的PVD技術(shù)沉積鈣鈦礦和其他PSC涂層。此外，系統(tǒng)可以配備冷卻或加熱樣品臺(tái)，用于處理熱敏感基片或在沉積期間/沉積后進(jìn)行熱處理。

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nanoPVD系統(tǒng)中的LTE蒸發(fā)源

手套箱集成式系統(tǒng)

雖然成品PSCs元件可以在大氣條件下使用，但通常有必要在惰性氣氛下進(jìn)行器件封裝制造。因?yàn)樵诤蟮谋Ｗo(hù)涂層覆蓋之前，濕氣和氧氣會(huì)對(duì)材料性能造成影響。因此，些PSC制備工作通常在惰性氣體(如純氬氣或氮?dú)?的手套箱中進(jìn)行。

基于MiniLab 026和MiniLab 090平臺(tái)的Moorfield LTE系統(tǒng)可以與手套箱集成，允許在惰性氣氛中對(duì)襯底或樣品進(jìn)行加工處理。Moorfield可以提供整套的手套箱集成系統(tǒng)或與客戶選定的手套箱進(jìn)行集成。其中MiniLab 026系統(tǒng)可以與用戶已有的手套箱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的集成安裝。

Minilab090系統(tǒng)樣品腔（左），與手套箱集成的系統(tǒng)（右）

總結(jié)

鈣鈦礦材料在太陽能電池方面表現(xiàn)出良好的前景，真空蒸發(fā)鍍膜是種很有前途的制備方法且容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。用于鈣鈦礦薄膜制備的沉積系統(tǒng)需要進(jìn)行化設(shè)計(jì)，以提高薄膜材料的品質(zhì)。Moorfield Nanotechnology公司具有雄厚的業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和進(jìn)的設(shè)備解決方案，包括全套LTE蒸發(fā)源、過程控制選件和完整的沉積系統(tǒng)。此外Moorfield Nanotechnology還提供其他多種材料制備的業(yè)設(shè)備，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、快速制備石墨烯的nanoCVD系統(tǒng)。

臺(tái)式高精度薄膜制備與加工系統(tǒng)新動(dòng)態(tài)

Moorfield 公司在中國(guó)科學(xué)院技術(shù)物理研究所的*設(shè)備安裝成功，本次在技術(shù)物理研究所安裝的是臺(tái)式高性能二維材料等離子軟刻蝕系統(tǒng)—nanoETCH。該系統(tǒng)對(duì)輸出功率的分辨率可達(dá)毫瓦量，對(duì)二維材料可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的的逐層刻蝕，也可實(shí)現(xiàn)二維材料層內(nèi)缺陷制造，此外還可對(duì)石墨基材等進(jìn)行表面處理。該系統(tǒng)目前正處于技術(shù)培訓(xùn)階段，不日將正式交付使用。

中國(guó)科學(xué)院技術(shù)物理研究所安裝的nanoETCH系統(tǒng)