Phương pháp chế tạo màng mỏng Perovskite
Việc chuẩn bị vật liệu perovskite là một bước quan trọng để đạt được pin mặt trời perovskite hiệu suất cao. Ở cấp độ phân tử, PbI₂ và CH₃NH₃I có thể phản ứng nhanh chóng thông qua quá trình tự lắp ráp để tạo thành CH₃NH₃PbI₃. Do đó, dù ở pha rắn, lỏng hay khí, việc trộn đều hai nguyên liệu thô này đều có thể tạo ra vật liệu perovskite mong muốn. Tuy nhiên, đối với các lớp hấp thụ ánh sáng của pin mặt trời màng mỏng có độ dày dưới 1 μm, các tinh thể perovskite lớn được tạo ra bằng phương pháp phản ứng pha rắn rõ ràng là không phù hợp.
Phương pháp sớm nhất để chế tạo màng mỏng perovskite cho pin mặt trời làphương pháp pha lỏng một bước, trong đó tỷ lệ thành phần hóa học của PbI₂ và CH₃NH₃I được hòa tan trong các dung môi như γ-butyrolactone hoặc N,N-dimethylformamide (DMF). Một lượng dung dịch nhất định được nhỏ lên lớp khung nano xốp và được phủ quay ở tốc độ nhất định. Sau khi gia nhiệt để loại bỏ dung môi, một quang anode chứa đầy perovskite thu được. Để điều chế perovskite pha tạp clo, PbCl₂ và một lượng CH₃NH₃I dư được sử dụng làm tiền chất. Sau khi loại bỏ dung môi và xử lý nhiệt, phần halomethylamine và chì halide thành phần hóa học được tạo thành perovskite, trong khi phần dư được bốc hơi.
Cácphương pháp pha lỏng hai bướctách quá trình lắng đọng PbI₂ và quá trình hình thành perovskite thành hai bước: Đầu tiên, dung dịch PbI₂ ở nồng độ nhất định được phủ quay lên lớp khung xốp. Sau đó, màng phủ PbI₂ được nhúng vào dung dịch methylammonium iodide trong isopropanol, dần dần chuyển đổi PbI₂ màu vàng thành perovskite màu nâu sẫm.
H. Snaith và cộng sự đã phát triển mộtphương pháp lắng đọng bay hơi đồng thờiđể chế tạo màng mỏng perovskite. Kỹ thuật này cũng cho phép chế tạo pin mặt trời perovskite hiệu suất cao nhưng đòi hỏi thiết bị đồng bay hơi phức tạp cho halogen chì và halogen methylammonium. Ngoài ra,phương pháp pha lỏng hỗ trợ hơiGần đây đã nổi lên như một công nghệ mới. Phương pháp này bao gồm việc phủ quay một màng PbI₂ và sau đó tiếp xúc với hơi CH₃NH₃I, cho phép hình thành perovskite chậm. So với phương pháp đồng bay hơi, kỹ thuật pha lỏng hỗ trợ hơi này giúp giảm yêu cầu về thiết bị thí nghiệm.
Tất cả các phương pháp chuẩn bị màng mỏng perovskite đã đề cập ở trên có thể đạt được hiệu quả vượt quá12%Tuy nhiên, quy trình phủ quay được sử dụng trong phương pháp pha lỏng rất khó để mở rộng quy mô sản xuất hàng loạt.
Mở rộng thành một bài viết công nghệ (Khoảng 1200 từ):
Những tiến bộ trong chế tạo màng mỏng Perovskite: Kỹ thuật và thách thức hướng tới khả năng mở rộng
Giới thiệu
Pin mặt trời perovskite (PSC) đã chứng kiến sự gia tăng chưa từng có về hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE), từ 3,8% vào năm 2009 lên hơn 26% trong những năm gần đây đối với các thiết bị diện tích nhỏ. Tuy nhiên, việc chuyển đổi hiệu suất này sang các mô-đun diện tích lớn vẫn là một thách thức đáng kể. Cốt lõi của thách thức này nằm ở việc chế tạo các màng mỏng perovskite chất lượng cao, đồng đều. Phương pháp chế tạo không chỉ quyết định các đặc tính quang điện tử mà còn ảnh hưởng đến khả năng mở rộng và khả năng thương mại hóa của công nghệ năng lượng mặt trời perovskite.
1. Kỹ thuật chế tạo cơ bản
1.1 Phương pháp pha lỏng một bước
Phương pháp này bao gồm việc hòa tan một lượng PbI₂ và CH₃NH₃I theo tỷ lệ thành phần trong các dung môi phân cực như DMF hoặc γ-butyrolactone. Dung dịch được lắng đọng lên đế thông qua kỹ thuật phủ quay, và quá trình ủ nhiệt sẽ loại bỏ dung môi, tạo thành lớp perovskite. Đối với các biến thể pha tạp clo (ví dụ: CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓ), PbCl₂ và CH₃NH₃I dư được sử dụng. Thành phần hữu cơ dư sẽ bay hơi trong quá trình ủ. Mặc dù đơn giản, phương pháp này gặp khó khăn trong việc kiểm soát động học kết tinh, thường dẫn đến các màng có lỗ kim và không đồng nhất trên các đế lớn hơn.
1.2 Phương pháp pha lỏng hai bước
Ở đây, PbI₂ trước tiên được lắng đọng lên đế. Sau đó, màng được ngâm trong dung dịch CH₃NH₃I trong isopropanol, chuyển đổi PbI₂ thành perovskite. Phương pháp tuần tự này giúp kiểm soát quá trình chuyển đổi tốt hơn và thường tạo ra màng đồng đều hơn. Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi không hoàn toàn và lượng PbI₂ còn lại có thể hoạt động như các trung tâm tái hợp điện tích, làm hạn chế hiệu suất của thiết bị.
1.3 Phương pháp lắng đọng pha hơi
Để khắc phục những hạn chế của quá trình xử lý bằng dung dịch, các kỹ thuật dựa trên hơi đã được phát triển.
Sự bay hơi đồng thời:Được phát triển bởi các nhóm như Snaith, phương pháp này đòi hỏi sự bay hơi nhiệt đồng thời của PbI₂ và CH₃NH₃I trong buồng chân không cao. Phương pháp này tạo ra màng phim chất lượng cao, không có lỗ kim với khả năng kiểm soát thành phần chính xác nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền và năng suất thấp.
Quy trình dung dịch hỗ trợ hơi (VASP):Một phương pháp kết hợp, trong đó màng PbI₂ được xử lý bằng dung dịch được tiếp xúc với hơi CH₃NH₃I. Hơi này khuếch tán vào màng rắn, chuyển đổi thành perovskite. Phương pháp này giúp giảm nhu cầu sử dụng hệ thống chân không phức tạp và thường tạo ra màng có độ kết tinh và độ phủ vượt trội so với các phương pháp chỉ dựa trên dung dịch.
2. Vượt qua những thách thức về khả năng mở rộng
Việc chuyển đổi từ phương pháp phủ quay quy mô phòng thí nghiệm sang các phương pháp tương thích với ngành công nghiệp là rất quan trọng để thương mại hóa.
2.1 Kỹ thuật phủ có thể mở rộng
Nghiên cứu tập trung vào các kỹ thuật như:
Lớp phủ lưỡi dao:Phương pháp phủ dẫn hướng theo mặt khum, trong đó lưỡi dao sẽ trải mực tiền chất lên bề mặt vật liệu. Phương pháp này cho hiệu suất sử dụng vật liệu cao và tương thích với quy trình cuộn-cuộn (R2R). Những thách thức chính bao gồm kiểm soát động lực học chất lỏng và kết tinh trong quá trình sấy nhanh.
Lớp phủ khe khuôn:Một kỹ thuật tương thích R2R khác cho phép định lượng mực trước, cho phép kiểm soát chính xác độ dày và độ đồng đều của màng. Các chiến lược loại bỏ dung môi hiệu quả, chẳng hạn như làm nguội bằng nitơ, thường được tích hợp để kiểm soát quá trình kết tinh.
Lớp phủ phun:Phù hợp với các bề mặt lớn và không bằng phẳng, nhưng vẫn khó tạo được lớp màng đồng đều, không có lỗ kim.
2.2 Kỹ thuật kết tinh
Kiểm soát quá trình kết tinh là rất quan trọng để tạo ra màng phim chất lượng cao trên diện tích lớn. Các chiến lược bao gồm:
Kỹ thuật bồi đắp:Việc kết hợp các chất phụ gia như MACl hoặc DMSO vào mực tiền chất có thể điều chỉnh động học kết tinh, tạo ra các hạt lớn hơn và giảm mật độ khuyết tật.
Làm nguội bằng khí:Sử dụng khí thổi (ví dụ: không khí, N₂) trong hoặc sau quá trình lắng đọng sẽ đẩy nhanh quá trình bay hơi dung môi, thúc đẩy quá trình hình thành hạt nhanh chóng và đồng đều.
Phương pháp hỗ trợ đèn flash chân không:Áp dụng chân không sau khi lắng đọng dung dịch sẽ nhanh chóng làm bay hơi dung môi, dẫn đến sự hình thành các pha trung gian đặc có thể chuyển đổi thành perovskite chất lượng cao khi ủ.
2.3 Kỹ thuật kết cấu
Việc khám phá các thành phần perovskite khử chì và ổn định là điều cần thiết cho tính bền vững và ổn định. Việc thay thế một phần Pb bằng Sn hoặc formamidinium (FA⁺) cho methylammonium (MA⁺) có thể điều chỉnh khoảng cách dải và cải thiện độ ổn định nhiệt.
3. Triển vọng và thách thức của ngành công nghiệp
Mặc dù các kỹ thuật như phủ lưỡi dao và phủ khe khuôn đã chứng minh hiệu suất PCE trên 20% trên các diện tích nhỏ, nhưng hiệu suất của chúng trên các mô-đun diện tích lớn vẫn còn hạn chế. Những thách thức chính bao gồm:
Độ đồng đều của màng phim:Việc duy trì độ dày và tính đồng nhất về thành phần trên mỗi mét không phải là chuyện đơn giản. Sự không đồng nhất dẫn đến tổn thất dòng điện và giảm hệ số lấp đầy.
Quản lý lỗi:Quá trình lắng đọng có thể mở rộng thường tạo ra nhiều khuyết tật hơn, đòi hỏi phải phát triển các chiến lược thụ động hóa có thể mở rộng.
Thông lượng và chi phí:Việc cân bằng tốc độ xử lý với chất lượng phim là rất quan trọng để giảm chi phí sản xuất.
Sự ổn định:Đạt được sự ổn định hoạt động lâu dài trong điều kiện thực tế (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ lệch) cho các mô-đun diện tích lớn là rào cản cuối cùng trước khi áp dụng rộng rãi.
Các công ty và viện nghiên cứu đang triển khai sản xuất mô-đun perovskite diện tích lớn một cách đầy hứa hẹn. Ví dụ, các mô-đun mini được in hoàn toàn bằng kỹ thuật R2R đã đạt hiệu suất khoảng 11% trên diện tích hoạt động khoảng 50 cm².
Phần kết luận
Hành trình chế tạo màng mỏng perovskite đã phát triển từ kỹ thuật phủ quay đơn giản đến các kỹ thuật in hỗ trợ hơi nước tinh vi và có khả năng mở rộng. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức về khả năng mở rộng, độ ổn định và duy trì hiệu suất trên diện tích lớn, nhưng sự tiến bộ nhanh chóng này mang lại niềm lạc quan mạnh mẽ. Sự đổi mới liên tục trong công nghệ lắng đọng, kiểm soát quá trình kết tinh và thiết kế vật liệu đang mở đường cho việc chuyển đổi pin mặt trời perovskite từ công nghệ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang công nghệ quang điện thương mại.
