Flash Инфракрасный Аннеалирование для перовскитной обработки солнечных батарей
3 февраля 2021 г.
Мы описываем метод инфракрасного аннеаляля, используемый для синтеза перовскитных и мезоскопических пленок TiO2. Параметры аннеаляции разнообразны и оптимизированы для обработки на фтор-допинг оксида олова (FTO) стекла и оксида олова индия покрытием полиэтилен терефталат (ITO PET), впоследствии давая устройствам эффективность преобразования мощности
Этот протокол является ключевым для использования метода FIRA для обработки тонкой пленки перовскитных солнечных элементов. Основным преимуществом этого протокола является быстрое время размевания, экологичность и воспроизводимость тонкой пленки. Этот метод был разработан для тонкой пленки перовскитных солнечных батарей.
Тем не менее, он может быть расширен для тонкого покрытия мягких и твердых материалов. Чтобы запрограммировать цикл аннеаля, сначала подключите печь FIRA к компьютеру и выберите режим PID. Подтвердите, что таблица выбрана с базой времени, которая больше, чем общая продолжительность процессов ингаляля и охлаждения.
После установки времени, в которое лампы должны быть выключены и выключены, нажмите таблицу START, чтобы запустить цикл. Для подготовки мезопорного слоя диоксида титана спин-пальто 50 микролитров мезопорного раствора диоксида титана при 4000 оборотов в минуту в течение 10 секунд со скоростью ускорения 1200 оборотов в минуту, а затем открыть газовый вход воздушного клапана. Запрограммировать цикл аннеаля в 1200 секунд при температуре 550 градусов по Цельсию и поместить субстраты в печь FIRA.
Начните процесс annealing в режиме PID, чтобы дать слой от 150 до 200 нанометров. В соответствующую точку времени, нажмите STOP таблице, чтобы остановить annealing, а затем удалить образцы, когда температура духовки достигает 25 градусов по Цельсию. Чтобы подготовить перовскитный слой, сначала запрограммировать шаг 1,6 секунды в режиме полной мощности, спин-пальто 40 микролитров перовскитного раствора на субстрате по 4 000 оборотов в минуту в течение 10 секунд и перенести субстрат в духовку.
Затем начните процесс annealing. В конце цикла поверхность субстрата должна превратиться из желтой в черную. Оставьте образцы в духовке еще на пять секунд для охлаждения перед удалением.
Затем нажмите правой кнопкой мыши на температурный профиль, чтобы загрузить его в файл txt или xlsx. Для оценки тонкой пленки, изображение субстрата на оптическом микроскопе оснащен ксенон источника света и бесконечно исправлены 10X и 50X целей и одновременно записывать абсорбент спектра с оптическим волокном интегрированы в микроскоп создан и подключен к спектрометру. Ликвидация противосолнечного и сокращение времени анны значительно снижает энергетические и финансовые затраты.
Оценка жизненного цикла процесса перовскитного синтеза показывает, что FIRA представляет лишь 8% воздействия на окружающую среду и 2% от стоимости изготовления противосолненого метода. Кроме того, FIRA совместима с гибкими и крупными субстратами. Рентгеновский дифракционный анализ выявил границы четырех различных перовскитных фаз, наблюдаемых на основе различных экспериментальных характеристик.
Еще одним преимуществом является сбор данных и скрининг материалов. Например, температурный профиль и рентгеновский дифракционный рисунок для мезоскопического слоя диоксида титана, анналированного циклом FIRA 10, 15 секунд, 45 секунд от импульсов можно наблюдать. Печь FIRA может достигать примерно 500 градусов по Цельсию, что позволяет слой диоксида титана быть по центру всего за 10 минут, гораздо короче, чем с обычными методами.
Сканирование изображений электронного микроскопа полученной пленки показывает, что изготовленные устройства аналогичны устройствам, изготовленным традиционными методами со слоями аналогичной толщины и морфологии. Устройства FIRA процесса демонстрируют отличную производительность, с чемпионом устройство, показывающее эффективность преобразования мощности, факторы заполнения, открытое замыкание напряжения, и короткое замыкание фото токи похожи на устройства, изготовленные с противосолнечные метод, демонстрируя, что FIRA является перспективным альтернативным методом обработки перовскитных солнечных элементов. Метод FIRA является мощным методом для перовскитной обработки солнечных элементов и предлагает нам уникальную возможность для сбора данных и скрининга материалов.
Обзор
В данной статье представлен метод импульсного инфракрасного отжига (FIRA) для синтеза перовскитных и мезопористых пленок TiO2, в котором параметры отжига оптимизированы для повышения эффективности устройств.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Возобновляемые источники энергии
- Технология тонких пленок
Введение
- FIRA обеспечивает короткое время отжига и экологичность.
- Метод подходит для нанесения покрытий как на мягкие, так и на твердые материалы.
- Данный метод повышает воспроизводимость процессов обработки тонких пленок.
- Оценка жизненного цикла указывает на меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными методами.
Цель исследования
- Разработать эффективный метод обработки тонкопленочных перовскитных солнечных элементов.
- Продемонстрировать преимущества FIRA по сравнению с традиционными методами отжига.
- Обеспечить возможность сбора данных и скрининга материалов при изготовлении солнечных элементов.
Используемые методы
- Программирование печи FIRA для проведения специфических циклов отжига.
- Методы спин-коатинга для создания мезопористых слоев диоксида титана и перовскита.
- Использование оптической микроскопии и спектрометрии для оценки характеристик пленок.
- Рентгеноструктурный анализ для определения фаз перовскита.
Основные результаты
- Эффективность преобразования энергии устройств превысила 20%.
- Метод FIRA позволил значительно снизить энергетические и финансовые затраты.
- Полученные пленки по качеству были сопоставимы с пленками, изготовленными традиционными методами.
- FIRA совместим с гибкими и крупногабаритными подложками.
Выводы
- FIRA является перспективной альтернативой для изготовления перовскитных солнечных элементов.
- Данный метод позволяет эффективно собирать данные и проводить скрининг материалов.
- Он представляет собой устойчивый подход к производству тонкопленочных солнечных элементов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Метод импульсного инфракрасного отжига (FIRA) устраняет критические узкие места в производстве перовскитных солнечных элементов за счет исключения токсичных антирастворителей и сокращения времени отжига с нескольких часов до нескольких секунд. Это обеспечивает возможность масштабируемой непрерывной обработки со значительно меньшим воздействием на окружающую среду и более низкими затратами на производство. Данный метод поддерживает скрининг материалов на основе данных и быструю оптимизацию процессов, что соответствует корпоративным целям по созданию устойчивых и высокопроизводительных фотоэлектрических систем.
Стратегическое применение в исследованиях и разработках биофармацевтики
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: обеспечивает возможность экспресс-термической обработки для скрининга составов перовскитов и условий отжига с целью достижения оптимальной кристаллизации.
- Практическая ценность: сокращает циклы разработки технологического процесса с часов до секунд, ускоряя итерации при проведении лабораторных исследований.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет получать высоковоспроизводимые перовскитные пленки без использования антирастворителей с эффективностью >20% для достоверной оптоэлектронной оценки.
- Практическая ценность: Совместимо с гибкими и широкоформатными подложками, что поддерживает масштабируемые форматы анализа для высокопроизводительного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Сохраняет качество пленки, сопоставимое с традиционными методами, обеспечивая трансляционную согласованность показателей производительности устройств.
- Практическая ценность: Интегрируется с последующими методами анализа (XRD, SEM, спектроскопия) для обеспечения непрерывного перехода от этапа открытия к доклинической валидации.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
FIRA вписывается в континуум от открытия до доклинических исследований, обеспечивая быстрый синтез материалов, немедленную оценку и циклы обратной связи по данным для итеративной оптимизации при разработке фотоэлектрических устройств.
- Открывающая биология (Discovery Biology): Обеспечивает проверку гипотез о составах перовскитов и параметрах обработки посредством экспресс-синтеза и скрининга.
- Скрининг: Предоставляет стандартизированные количественные показатели (эффективность, коэффициент заполнения, напряжение) для надежного сравнения соединений и условий.
- Аналитика: Позволяет собирать температурные профили, XRD-паттерны и морфологические данные для изучения взаимосвязей «процесс — структура — свойство».
- Трансляционные исследования: Гарантирует стабильность характеристик при переходе от лабораторного масштаба к гибким подложкам или подложкам большой площади, снижая риски при принятии решений о масштабировании.
- Корпоративное повторное использование: Функционирует как универсальная платформа для скрининга материалов и разработки технологических процессов для различных систем перовскитов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Прогностическая уверенность в характеристиках материала за счет быстрого, воспроизводимого формирования пленок и мультимодальной характеризации.
- Эксплуатационная ценность: Стандартизация с помощью программируемого ПИД-регулирования, стабильности за счет водяного охлаждения и субсекундного тайминга процесса.
- Стратегическая ценность: Снижение биологических и энергетических рисков на поздних этапах за счет уменьшения воздействия на окружающую среду до 8% и затрат до 2% по сравнению с традиционными методами.
- Влияние на портфель: Обеспечение корректируемого с учетом рисков продвижения составов перовскитов на основе результатов быстрого, насыщенного данными скрининга.
Рекомендации по внедрению
- Требуется опыт в области осаждения тонких пленок, программирования термических процессов и оптоэлектронной характеризации.
- Необходима печь FIRA с ближним инфракрасным галогенным излучением, ПИД-регулятором и системой водяного охлаждения.
- Требуется стандартизация параметров центрифугирования и протоколов отжига для всех рабочих групп и типов подложек.
- Необходимо учитывать особенности адаптации для гибких и жестких подложек, а также для различных составов прекурсоров перовскита.
- Ограничения обусловлены направленным излучением и сложностью обеспечения равномерного нагрева на непланарных или текстурированных поверхностях.
