Nature子刊：新方法制備鈣鈦礦彩色太陽能窗

導讀

鈣鈦礦材料因其優異的光吸收性能、長的載流子壽命、可調帶隙等特性而被用于研究下一代光電子器件。近年來，鈣鈦礦圖案化的技術主要用在了制備微型電池領域，微型電池對于需要陣列型結構的鈣鈦礦光電子器件，例如LED，微盤激光器和光探測器是必不可少的。此外，鈣鈦礦太陽能電池的認證功率轉換效率（power conversion efficiency，PCE）已經達到了25.5%。目前已經有研究人員嘗試使用鈣鈦礦微型電池陣列來制備半透明光伏器件（photovoltaic devices，PVs）。這種半透明的鈣鈦礦PVs也可以用于建筑物上來當作彩色太陽能窗。

太陽能窗將入射光轉換為電能，同時兼具像傳統窗戶一樣的透光性。尤其是從美學的角度來看，彩色類型的太陽能窗更加引人注目。但是，提高PCE的同時會降低平均透過率（average visible transmittances，AVTs）和顯色指數（color-rendering indices，CRIs）。這點特別是對于彩色類型的太陽能窗，其PCEs依賴于窗戶的顏色設計。因此，采用同時代表太陽能電池窗特性的參數——光利用效率（light-utilization efficiency，LUE，通過AVT×PCE）來作為評價半透明PVs的關鍵參數。CRI作為一個對透射顏色參考參數，可以定量的衡量顏色顯色的準確性。因為傳統的著色窗的AVT和單位面積上的平均功率分別大于50 %和5 mW/cm²。LUE大于2.5以及AVT大于50 %的半透明PVs可以被認為是理想的太陽能窗。在玻璃窗產業中，CRI要求高于90 %。同樣重要的是，無論什么顏色，彩色太陽能窗的PCE應該是恒定的。

為了制備高性能鈣鈦礦微型電池，設計復雜的圖案工藝至關重要。因為它決定了圖案化的鈣鈦礦薄膜的質量，如形狀、均勻性、結晶度以及微型電池的性能。在眾多的圖形化方法中，如電化學陽極氧化，納米壓印，聚焦離子束蝕刻，已經被報道用于制備鈣鈦礦微型電池。其中，基于dewetting的圖案化方法得到了廣泛的研究。該方法通過控制基底的表面能，在選定的區域沉積鈣鈦礦層。然而，在圖案化的鈣鈦礦薄膜中經常觀察到圖案變形和空洞，這降低了器件的性能。因此，高性能鈣鈦礦微型電池需要一種新的圖案化方法。

最近，一種采用附著力差的高分子，如派瑞林，以lift-off為基礎的圖案化方法已被報道。在這種情況下，鈣鈦礦薄膜可以均勻地沉積，因為表面能在整個預圖案化基底上是均勻的。然而，當從基板上去除粘附性差的聚合物時，整個薄膜上會產生較大的應力，這可能會導致圖案的斷裂或部分分層。這些斷裂或圖案的部分分層在高效鈣鈦礦PVs中很容易發生，因為高效鈣鈦礦PV的鈣鈦礦膜通常是通過添加額外的碘化鉛(PbI₂)或二維鈣鈦礦材料的表面鈍化形成的，表面鈍化可以提高鈣鈦礦薄膜的性能同時降低其斷裂能。因此，需要一種新的圖案化方法來制備均勻的鈣鈦礦圖案，以實現高效微型電池的高性能彩色太陽能窗。

成果掠影

近日，韓國光州科學技術院的Young Min Song，韓國高麗大學的Dong Hoe Kim和韓國基礎科學研究院的Dae-Hyeong Kim（共同作者），聯合在Nature Communications上發表文章，題為“Perovskite microcells fabricated using swelling-induced crack propagation for colored solar windows”。作者提出了一種基于lift-off的圖案化方法，利用膨脹誘導裂紋擴展來制備高效鈣鈦礦微型電池。膨脹誘導lift-off法可以制備平坦的、均勻的、結晶的、有圖案化的鈣鈦礦薄膜，同時薄膜中沒有如斷裂或部分分層等缺陷。此外，鈣鈦礦層和電子輸運層（electron- transport layer，ETL）同時lift-off可以減少界面缺陷。因此，鈣鈦礦微型電池的PCE可達20.1%，與無圖案化的鈣鈦礦PV的PCE幾乎相同。基于微型電池的半透明PV的LUE為4.67，CRI為97.5%。沉積在半透明PV上的金屬-絕緣體-金屬結構可以制造出色彩鮮艷、色純度高的太陽能窗。

核心創新點：

1. 提出了一種基于lift-off的圖案化方法，利用膨脹誘導裂紋擴展來制備高效鈣鈦礦微型電池。膨脹誘導lift-off法可以制備平坦的、均勻的、結晶的、有圖案化的鈣鈦礦薄膜，同時薄膜中沒有如斷裂或部分分層等缺陷。
2. 鈣鈦礦微型電池的PCE可達20.1%，與無圖案化的鈣鈦礦PV的PCE幾乎相同。
3. 基于微型電池的半透明PV的LUE為4.67，CRI為97.5%。

數據概覽

圖1. 高質量鈣鈦礦薄膜的膨脹誘導lift-off法? 2022 The Authors

a. 膨脹誘導lift-off法流程示意圖

b. 對應圖a中相應的光學相機圖像

c. 對應圖a中相應的SEM圖像

d. 圖1a (iii)中裂紋產生過程示意圖

e，f. 生成的裂紋(e)及其擴展的SEM圖像(f)

圖2. 膨脹誘導lift-off法和dewetting法制備鈣鈦礦圖案? 2022 The Authors

a. 膨脹誘導lift-off法制備的鈣鈦礦點的SEM橫截面圖

b. 圖2a的傾斜視圖(左)和放大視圖(其他)

c. 用dewetting法制備的鈣鈦礦點的SEM橫截面圖

d. 圖2c的傾斜視圖(左)和放大視圖(其他)

e，f. 光學相機圖像顯示由膨脹誘導lift-off法(e)和dewetting法(f)制備的矩形鈣鈦礦圖案陣列

圖3. 界面缺陷減少的鈣鈦礦微型電池? 2022 The Authors

a. 鈣鈦礦微型電池制備過程的橫截面示意圖

b，c. 鈣鈦礦微型電池中電荷載流子動力學示意圖，具有同時lift-off的結構(b)和常規結構(c)

d. I–V特性

e. 鈣鈦礦微型電池的橫截面SEM圖

f，g. 圖3e中心(f)和邊緣(g)的放大視圖

h. J-V特性

i. 鈣鈦礦微型電池穩定的功率輸出

j. PCEs

k. 25個PVs的PCE統計數據

圖4：帶有超薄金緩沖層和受飛蛾眼啟發的納米結構的半透明PV ? 2022 The Authors

a.半透明PV示意圖

b. 半透明PV的PCE （不同金的厚度）

c. 半透明PV的PCE （不同微型電池的直徑）

d. 具有和不具有飛蛾眼納米結構的半透明PV對不同面積比(area ratios，ARs) (10 ~ 60%)的顏色和HSB(hue, saturation, and brightness)顏色圖

e. 半透明pv的LUE

f. J-V特性

圖5. 帶有金屬絕緣體金屬結構和受飛蛾眼啟發的納米結構的彩色太陽能窗?2022 The Authors

a. 帶有金屬-絕緣體-金屬(metal–insulator–metal，MIM)共振結構的彩色太陽能窗示意圖

b. 色差(ΔH)、透光率(T)和兩個值乘積(ΔH × T)圖用于優化絕緣體(t_ins)和金屬(t_metal)的厚度

c. 調色板

d. 具有和不具有飛蛾眼納米結構的彩色太陽能窗的色度

e. 四種不同顏色的彩色太陽窗的照片

f. 各種ARs(10-40%)的CIE坐標上的色度值

g. 不同ARs(10-40%)彩色太陽窗的峰值透過率值

h. J-V特性

成果啟示

作者提出了一種基于lift-off的圖案化方法，利用膨脹誘導裂紋擴展來制備高效鈣鈦礦微型電池。膨脹誘導lift-off法可以制備平坦的、均勻的、結晶的、有圖案化的鈣鈦礦薄膜，同時薄膜中沒有如斷裂或部分分層等缺陷。此外，鈣鈦礦層和電子輸運層（electron- transport layer，ETL）同時lift-off可以減少界面缺陷。因此，鈣鈦礦微型電池的PCE可達20.1%，與無圖案化的鈣鈦礦PV的PCE幾乎相同。基于微型電池的半透明PV的LUE為4.67，CRI為97.5%。沉積在半透明PV上的金屬-絕緣體-金屬結構可以制造出色彩鮮艷、色純度高的太陽能窗。這些高性能鈣鈦礦微型電池有望成為推動下一代鈣鈦礦光電子技術邁向未來的一大步。

文獻鏈接：Perovskite microcells fabricated using swelling-induced crack propagation for colored solar windows. 2022, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-29602-z.

本文由納米小白供稿

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.