Annealing infrarouge flash pour le traitement des cellules solaires Perovskite
3 février 2021
Nous décrivons une méthode d’annealage infrarouge flash utilisée pour la synthèse des films perovskite et mésoscopique-TiO2. Les paramètres d’annealing sont variés et optimisés pour le traitement sur le verre d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) et le téréphtalate de polyéthylène recouvert d’oxyde d’étain d’indium (ITO PET), donnant par la suite aux appareils des gains d’efficacité de conversion de puissance >20%.
Ce protocole est essentiel pour l’utilisation de la méthode FIRA pour le traitement des cellules solaires perovskite à couches minces. Le principal avantage de ce protocole sont le temps d’annealage rapide, l’éco-convivialité, et la reproductibilité du traitement des couches minces. Cette méthode a été développée pour les cellules solaires perovskite à couches minces.
Cependant, il peut être étendu pour les matériaux mous et durs de revêtement à couches minces. Pour programmer le cycle d’annealing, connectez d’abord le four FIRA à un ordinateur et sélectionnez le mode PID. Confirmez que le tableau est sélectionné avec une base de temps supérieure à la durée totale des processus d’annealage et de refroidissement.
Après avoir mis en place les heures auxquelles les lampes doivent être allumées et éteintes, cliquez sur la table START pour exécuter le cycle. Pour préparer une couche de dioxyde de titane mésoporous spin-coat 50 microlitres d’une solution mésoporous de dioxyde de titane à 4000 révolutions par minute pendant 10 secondes avec une vitesse d’accélération de 1200 révolutions par minute, puis ouvrir la valve d’air de l’entrée de gaz. Programmez un cycle d’annealage de 1200 secondes à 550 degrés Celsius et placez les substrats dans le four FIRA.
Démarrez le processus d’annealage en mode MIP pour donner une couche de 150 à 200 nanomètres. Au moment opportun, cliquez sur la table STOP pour arrêter l’annealage, puis retirez les échantillons lorsque la température du four atteint 25 degrés Celsius. Pour préparer une couche de perovskite, programmez d’abord une étape d’annealage de 1,6 seconde en mode pleine puissance, enduire 40 microlitres de solution perovskite sur le substrat à 4000 tours par minute pendant 10 secondes et transférer le substrat au four.
Ensuite, commencer le processus d’annealing. À la fin du cycle, la surface du substrat doit passer du jaune au noir. Laissez les échantillons au four pendant cinq secondes supplémentaires pour le refroidissement avant l’enlèvement.
Cliquez ensuite à droite sur le profil de température pour le télécharger sous forme de fichier txt ou xlsx. Pour évaluer le film mince, imagez le substrat sur un microscope optique équipé d’une source lumineuse de xénon et d’objectifs infiniment corrigés de 10X et 50X et enregistrez simultanément les spectres absorbants avec une fibre optique intégrée au microscope mis en place et reliée à un spectromètre. L’élimination de l’antisolvant et la réduction des temps d’annealing réduisent considérablement les coûts énergétiques et financiers.
L’évaluation du cycle de vie du processus de synthèse du perovskite montre que la FIRA ne présente que 8 % de l’impact environnemental et 2 % du coût de fabrication de la méthode antisolvante. De plus, la FIRA est compatible avec des substrats flexibles et de grande surface. L’analyse de diffraction aux rayons X a révélé les limites des quatre phases distinctes de perovskite observées sur la base de diverses caractérisations expérimentales.
Un autre avantage est la collecte de données et le criblage des matériaux. Par exemple, le profil de température et le modèle de diffraction des rayons X pour une couche mésoscopique de dioxyde de titane annelé avec un cycle FIRA de 10, 15 secondes plus tard, 45 secondes hors impulsions peuvent être observés. Le four FIRA peut atteindre environ 500 degrés Celsius permettant à la couche de dioxyde de titane d’être centrée en seulement 10 minutes, beaucoup plus courte qu’avec les méthodes conventionnelles.
La numérisation de l’imagerie au microscope électronique du film qui en résulte montre que les dispositifs fabriqués sont similaires à ceux fabriqués par des méthodes traditionnelles avec des couches d’épaisseur et de morphologie similaires. Les dispositifs de processus FIRA démontrent une excellente performance, avec l’appareil champion montrant l’efficacité de conversion de puissance, les facteurs de remplissage, les tensions de circuit ouvert, et les courants de photo de court-circuit semblables aux dispositifs fabriqués avec la méthode antisolvante, démontrant que FIRA est une méthode alternative prometteuse de traitement pour des cellules solaires perovskite. La méthode FIRA est une technique puissante pour le traitement des cellules solaires perovskite et nous offre une occasion unique pour la collecte de données et le criblage des matériaux.
Aperçu
Cet article présente une méthode de recuit infrarouge flash (FIRA) pour la synthèse de films de pérovskite et de TiO2 mésoscopique, en optimisant les paramètres de recuit afin d'améliorer l'efficacité du dispositif.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Science des matériaux
- Énergie renouvelable
- Technologie des couches minces
Contexte
- FIRA offre des temps de recuit rapides et une faible empreinte écologique.
- Il convient aux revêtements de matériaux tant mous que durs.
- La méthode améliore la reproductibilité du traitement des couches minces.
- Les évaluations du cycle de vie indiquent un impact environnemental moindre par rapport aux méthodes traditionnelles.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode de traitement efficace pour les cellules solaires à pérovskite en couches minces.
- Mettre en évidence les avantages de la FIRA par rapport aux techniques conventionnelles de recuit.
- Permettre la collecte de données et le criblage de matériaux lors de la fabrication de cellules solaires.
Méthodes utilisées
- Programmation du four FIRA pour des cycles de recuit spécifiques.
- Techniques de dépôt par centrifugation pour les couches de dioxyde de titane mésoporeux et de pérovskite.
- Utilisation de la microscopie optique et de la spectrométrie pour l'évaluation des films.
- Analyse par diffraction des rayons X pour la caractérisation des phases de pérovskite.
Résultats principaux
- Les dispositifs ont atteint des rendements de conversion d'énergie supérieurs à 20 %.
- FIRA a démontré des réductions importantes des coûts énergétiques et financiers.
- Les films produits étaient comparables en qualité à ceux fabriqués par des méthodes traditionnelles.
- FIRA est compatible avec des substrats flexibles et de grande surface.
Conclusions
- La FIRA est une alternative prometteuse pour le traitement des cellules solaires à pérovskite.
- La méthode permet une collecte efficace des données et le criblage des matériaux.
- Elle représente une approche durable pour la fabrication de cellules solaires à couche mince.
Questions fréquemment posées
Pertinence sectorielle pour les cadres
Le recuit infrarouge par éclairs (FIRA) résout des goulots d'étranglement critiques dans la fabrication de cellules solaires à pérovskite en éliminant les antisolvents toxiques et en réduisant les durées de recuit de plusieurs heures à quelques secondes. Cela permet un traitement continu et évolutif, avec un impact environnemental et des coûts de fabrication nettement réduits. La méthode soutient le criblage des matériaux assisté par données et l'optimisation rapide des procédés, s'alignant ainsi sur les objectifs industriels de développement photovoltaïque durable et à haut débit.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet un traitement thermique rapide pour tester différentes formulations de pérovskite et des conditions de recuit afin d'optimiser la cristallisation.
- Valeur opérationnelle : Réduit les cycles de développement de procédé de plusieurs heures à quelques secondes, accélérant ainsi les itérations dans la découverte à l'échelle du laboratoire.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Produit des films de pérovskite hautement reproductibles et sans antisolvant, avec des rendements supérieurs à 20 %, permettant une évaluation optoélectronique fiable.
- Valeur opérationnelle : Compatible avec des substrats flexibles et de grande surface, prenant en charge des formats de dosage évolutifs pour le criblage à haut débit.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Préserve une qualité de film comparable à celle des méthodes conventionnelles, assurant une cohérence transposable dans les paramètres de performance des dispositifs.
- Valeur opérationnelle : S'intègre aux caractérisations en aval (XRD, MEB, spectroscopie) pour assurer une continuité fluide depuis la découverte jusqu'à la validation préclinique.
Intégration des pipelines et des flux de travail
FIRA s'inscrit dans la continuité découverte-préclinique en permettant une synthèse rapide des matériaux, une évaluation immédiate et des boucles de rétroaction des données pour une optimisation itérative dans le développement de dispositifs photovoltaïques.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses sur les compositions de pérovskite et les paramètres de traitement grâce à une synthèse et un criblage rapides.
- Criblage : Fournit des résultats quantitatifs normalisés (efficacité, facteur de forme, tension) permettant une comparaison fiable des composés et des conditions.
- Analytique : Permet la collecte de profils thermiques, de motifs de DRX et de données morphologiques afin d'établir des relations entre procédé, structure et propriétés.
- Recherche translationnelle : Garantit la continuité des performances du laboratoire aux substrats flexibles ou de grande surface, réduisant les risques liés aux décisions de montée en échelle.
- Réutilisation en entreprise : Fonctionne comme une plateforme réutilisable pour le criblage de matériaux et le développement de procédés dans divers systèmes de pérovskite.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Confiance prédictive dans les performances des matériaux grâce à une génération rapide et reproductible de films et à une caractérisation multi-modale.
- Valeur opérationnelle : Normalisation par commande PID programmable, stabilité assurée par refroidissement à l’eau et temporisation du processus inférieure à une seconde.
- Valeur stratégique : Réduction des risques biologiques et énergétiques en fin de parcours en abaissant l’impact environnemental à 8 % et les coûts à 2 % par rapport aux méthodes conventionnelles.
- Impact sur le portefeuille : Permet un développement ajusté au risque des formulations de pérovskite fondé sur des résultats de criblage rapides et riches en données.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en dépôt de couches minces, en programmation de procédés thermiques et en caractérisation optoélectronique.
- Exige un four FIRA équipé de lampes halogènes à infrarouge proche, d'une commande PID et d'une infrastructure de refroidissement par eau.
- Implique une standardisation des paramètres de dépôt par centrifugation et des protocoles de recuit entre les équipes et les types de substrats.
- Suppose des adaptations selon les substrats flexibles ou rigides et les différentes formulations de précurseurs de pérovskite.
- Est limité par l'irradiation en ligne de mire et les difficultés d'obtention d'un chauffage uniforme sur des surfaces non planes ou texturées.
