วิธีการเตรียมฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์
การเตรียมวัสดุเพอรอฟสไกต์เป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ประสิทธิภาพสูง ในระดับโมเลกุล พีบีไอ₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I สามารถทำปฏิกิริยากันได้อย่างรวดเร็วผ่านการประกอบตัวเองจนเกิดเป็น ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ ดังนั้น ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ การผสมวัตถุดิบทั้งสองเข้าด้วยกันอย่างทั่วถึงก็สามารถให้วัสดุเพอรอฟสไกต์ที่ต้องการได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับชั้นดูดซับแสงของเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางที่มีความหนาต่ำกว่า 1 ไมโครเมตร ผลึกเพอรอฟสไกต์ขนาดใหญ่ที่เกิดจากวิธีการทำปฏิกิริยาแบบเฟสของแข็งนั้นไม่เหมาะสมอย่างชัดเจน
วิธีการแรกสุดในการเตรียมฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์คือวิธีเฟสของเหลวขั้นตอนเดียวโดยที่อัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกของ พีบีไอ₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I ละลายในตัวทำละลาย เช่น γ-บิวทิโรแลกโทน หรือ N,N-ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (ดีเอ็มเอฟ) หยดสารละลายจำนวนหนึ่งลงบนชั้นนั่งร้านที่มีรูพรุนระดับนาโน แล้วนำไปเคลือบด้วยความเร็วที่กำหนด หลังจากให้ความร้อนเพื่อกำจัดตัวทำละลาย จะได้โฟโตแอโนดที่บรรจุเพอรอฟสไกต์ สำหรับการเตรียมเพอรอฟสไกต์ที่เจือคลอรีน จะใช้ ตะกั่วคลอไรด์₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I ส่วนเกินเป็นสารตั้งต้น หลังจากการกำจัดตัวทำละลายและการให้ความร้อน ส่วนสโตอิชิโอเมตริกของเฮโลเมทิลามีนและเลดฮาไลด์จะก่อตัวเป็นเพอรอฟสไกต์ ในขณะที่ส่วนที่เหลือจะระเหยออกไป
การวิธีเฟสของเหลวสองขั้นตอนแบ่งการสะสมของ พีบีไอ₂ และการเกิดเพอรอฟสไกต์ออกเป็นสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก สารละลาย พีบีไอ₂ ที่ความเข้มข้นที่กำหนดจะถูกเคลือบด้วยสปินบนชั้นนั่งร้านที่มีรูพรุน จากนั้นฟิล์มที่เคลือบด้วย พีบีไอ₂ จะถูกจุ่มลงในสารละลายเมทิลแอมโมเนียมไอโอไดด์ในไอโซโพรพานอล โดยค่อยๆ เปลี่ยน พีบีไอ₂ สีเหลืองให้เป็นเพอรอฟสไกต์สีน้ำตาลเข้ม
H. สไนธ์ และคณะได้พัฒนาวิธีการสะสมแบบระเหยร่วมไอสำหรับการเตรียมฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์ เทคนิคนี้ยังช่วยให้สามารถสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ประสิทธิภาพสูงได้ แต่ต้องใช้อุปกรณ์ระเหยร่วมที่ซับซ้อนสำหรับตะกั่วฮาไลด์และเมทิลแอมโมเนียมฮาไลด์ นอกจากนี้วิธีการเฟสของเหลวที่ช่วยด้วยไอเพิ่งเกิดขึ้นในฐานะเทคโนโลยีใหม่ วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการเคลือบฟิล์ม พีบีไอ₂ ด้วยการหมุน แล้วนำไปสัมผัสกับไอระเหย ช.₃เอ็นเอช₃I ซึ่งช่วยให้เกิดการก่อตัวของเพอรอฟสไกต์อย่างช้าๆ เมื่อเทียบกับวิธีการระเหยร่วม เทคนิคเฟสของเหลวแบบไอระเหยช่วยนี้ช่วยลดความต้องการอุปกรณ์ในการทดลอง
วิธีการเตรียมฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์ทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถบรรลุประสิทธิภาพที่เกิน12%อย่างไรก็ตาม กระบวนการเคลือบแบบหมุนที่ใช้ในวิธีเฟสของเหลวนั้นยากที่จะปรับขนาดให้เหมาะกับการผลิตจำนวนมาก
ขยายเป็นบทความด้านเทคโนโลยี (ประมาณ 1,200 คำ):
ความก้าวหน้าในการผลิตฟิล์มบาง เพอรอฟสไกต์: เทคนิคและความท้าทายต่อความสามารถในการปรับขนาด
การแนะนำ
เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ (พีเอสซี) มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้า (พีซีอี) เพิ่มขึ้นอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน จาก 3.8% ในปี 2552 เป็นมากกว่า 26% ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสำหรับอุปกรณ์พื้นที่ขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม การแปลงประสิทธิภาพเหล่านี้ไปสู่โมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่ยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ หัวใจสำคัญของความท้าทายนี้อยู่ที่การเตรียมฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์คุณภาพสูงและสม่ำเสมอ วิธีการผลิตนี้ไม่เพียงแต่กำหนดคุณสมบัติทางออปโตอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบต่อความสามารถในการขยายขนาดและความเป็นไปได้เชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์อีกด้วย
1. เทคนิคการผลิตขั้นพื้นฐาน
1.1 วิธีเฟสของเหลวขั้นตอนเดียว
วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการละลาย พีบีไอ₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I ในปริมาณสโตอิชิโอเมตริกในตัวทำละลายที่มีขั้ว เช่น ดีเอ็มเอฟ หรือ γ-บิวทิโรแลกโทน สารละลายจะถูกเคลือบลงบนวัสดุพิมพ์โดยการปั่นเคลือบ และการอบอ่อนด้วยความร้อนจะกำจัดตัวทำละลายออก ก่อตัวเป็นชั้นเพอรอฟสไกต์ สำหรับสารที่เจือด้วยคลอรีน (เช่น ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃₋ₓClₓ) จะใช้ ตะกั่วคลอไรด์₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I ส่วนเกิน ส่วนประกอบอินทรีย์ส่วนเกินจะระเหยไปในระหว่างการอบอ่อน แม้จะง่าย แต่วิธีนี้มีปัญหาในการควบคุมจลนพลศาสตร์ของการตกผลึก ซึ่งมักนำไปสู่ฟิล์มที่เป็นรูพรุนและไม่เป็นเนื้อเดียวกันบนวัสดุพิมพ์ขนาดใหญ่
1.2 วิธีเฟสของเหลวสองขั้นตอน
ที่นี่ พีบีไอ₂ จะถูกสะสมลงบนวัสดุตั้งต้นก่อน จากนั้นฟิล์มจะถูกจุ่มลงในสารละลาย ช.₃เอ็นเอช₃I ในไอโซโพรพานอล เพื่อเปลี่ยน พีบีไอ₂ เป็นเพอรอฟสไกต์ วิธีการแบบต่อเนื่องนี้ช่วยให้ควบคุมกระบวนการเปลี่ยนรูปได้ดีขึ้น และมักจะได้ฟิล์มที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนรูปรูปไม่สมบูรณ์และ พีบีไอ₂ ที่เหลืออยู่อาจทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการรวมตัวของประจุ ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพของอุปกรณ์
1.3 วิธีการสะสมในเฟสไอ
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดของการประมวลผลสารละลาย จึงได้พัฒนาวิธีการที่ใช้ไอระเหย
การระเหยร่วมของไอ:พัฒนาขึ้นโดยกลุ่มต่างๆ เช่น กลุ่มของ สไนธ์ ซึ่งต้องใช้การระเหยด้วยความร้อนของ พีบีไอ₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I ในห้องสุญญากาศสูง วิธีนี้ผลิตฟิล์มคุณภาพสูง ปราศจากรูเข็ม พร้อมการควบคุมองค์ประกอบที่แม่นยำ แต่ต้องใช้อุปกรณ์ราคาแพงและปริมาณงานต่ำ
กระบวนการสารละลายช่วยด้วยไอระเหย (วีเอเอสพี):วิธีการแบบไฮบริดที่ฟิล์ม พีบีไอ₂ ที่ผ่านกระบวนการด้วยสารละลายสัมผัสกับไอระเหย ช.₃เอ็นเอช₃I ไอระเหยจะแพร่กระจายเข้าไปในฟิล์มแข็งและเปลี่ยนเป็นเพอรอฟสไกต์ วิธีการนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ระบบสุญญากาศที่ซับซ้อน และมักทำให้ฟิล์มมีสภาพผลึกและการปกคลุมที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับวิธีการที่ใช้สารละลายเพียงอย่างเดียว
2. การเอาชนะความท้าทายด้านความสามารถในการปรับขนาด
การเปลี่ยนผ่านจากการเคลือบแบบหมุนในระดับห้องปฏิบัติการไปเป็นวิธีการที่เข้ากันได้กับอุตสาหกรรมถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์
2.1 เทคนิคการเคลือบแบบปรับขนาดได้
การวิจัยมุ่งเน้นไปที่เทคนิคต่างๆ เช่น:
การเคลือบใบมีด:วิธีการเคลือบแบบใช้ใบมีดนำทางด้วยเมนิสคัส ซึ่งใบมีดจะกระจายหมึกสารตั้งต้นไปบนวัสดุพิมพ์ วิธีนี้ให้อัตราการใช้วัสดุสูง และเข้ากันได้กับกระบวนการแบบโรลทูโรล (R2R) ความท้าทายหลัก ได้แก่ การควบคุมพลศาสตร์ของไหลและการตกผลึกในระหว่างกระบวนการอบแห้งแบบเร็ว
การเคลือบแบบ สล็อต-ตาย:อีกหนึ่งเทคนิคที่เข้ากันได้กับ R2R ซึ่งวัดปริมาณหมึกล่วงหน้า ช่วยให้สามารถควบคุมความหนาและความสม่ำเสมอของฟิล์มได้อย่างแม่นยำ กลยุทธ์การกำจัดตัวทำละลายที่มีประสิทธิภาพ เช่น การดับด้วยไนโตรเจน มักถูกนำมาผสมผสานเพื่อจัดการการตกผลึก
การพ่นเคลือบ:เหมาะสำหรับพื้นผิวขนาดใหญ่และไม่สม่ำเสมอ แต่การที่จะได้ฟิล์มที่สม่ำเสมอและไม่มีรูพรุนนั้นยังคงเป็นเรื่องยาก
2.2 วิศวกรรมการตกผลึก
การควบคุมกระบวนการตกผลึกเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้ได้ฟิล์มคุณภาพสูงครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ กลยุทธ์ต่างๆ ประกอบด้วย:
วิศวกรรมการเติมแต่ง:การผสมสารเติมแต่ง เช่น เอ็มเอแอล หรือ ดีเอ็มเอสโอ ลงในหมึกสารตั้งต้นสามารถปรับเปลี่ยนจลนพลศาสตร์ของการตกผลึก ส่งผลให้มีเกรนขนาดใหญ่ขึ้นและความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลง
การดับก๊าซ:การใช้ก๊าซเป่า (เช่น อากาศ N₂) ในระหว่างหรือหลังการสะสม จะช่วยเร่งการระเหยของตัวทำละลาย ส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสที่รวดเร็วและสม่ำเสมอ
วิธีการช่วยแฟลชสูญญากาศ:การใช้สุญญากาศหลังการสะสมสารละลายจะทำให้ตัวทำละลายระเหยอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดเฟสกลางที่มีความหนาแน่น ซึ่งสามารถแปลงเป็นเปรอฟสไกต์คุณภาพสูงได้เมื่อผ่านการอบอ่อน
2.3 วิศวกรรมองค์ประกอบ
การสำรวจองค์ประกอบเพอรอฟสไกต์ที่ลดปริมาณตะกั่วและเสถียรเป็นสิ่งจำเป็นต่อความยั่งยืนและเสถียรภาพ การแทนที่ตะกั่วบางส่วนด้วย ส.น. หรือฟอร์มามิดิเนียม (เอฟเอ⁺) แทนเมทิลแอมโมเนียม (เอ็มเอ⁺) สามารถปรับแบนด์แก๊ปและปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนได้
3. แนวโน้มอุตสาหกรรมและความท้าทาย
แม้ว่าเทคนิคต่างๆ เช่น การเคลือบใบมีดและการเคลือบแบบ สล็อต-ตาย จะแสดงให้เห็นว่า พีซีอี มีประสิทธิภาพมากกว่า 20% ในพื้นที่ขนาดเล็ก แต่ประสิทธิภาพในโมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่ยังคงต่ำกว่า ความท้าทายที่สำคัญ ได้แก่:
ความสม่ำเสมอของฟิล์ม:การรักษาความหนาและความสม่ำเสมอขององค์ประกอบตลอดช่วงการวัดนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ความไม่สม่ำเสมอขององค์ประกอบนำไปสู่การสูญเสียกระแสไฟฟ้าและปัจจัยการเติมที่ลดลง
การจัดการข้อบกพร่อง:การสะสมแบบปรับขนาดได้มักจะทำให้เกิดข้อบกพร่องมากขึ้น จึงจำเป็นต้องมีการพัฒนากลยุทธ์การทำให้เป็นพาสซีฟแบบปรับขนาดได้
ปริมาณงานและต้นทุน:การรักษาสมดุลระหว่างความเร็วในการประมวลผลกับคุณภาพของฟิล์มถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการลดต้นทุนการผลิต
ความเสถียร:การบรรลุเสถียรภาพในการทำงานในระยะยาวภายใต้สภาวะแวดล้อมจริง (ความร้อน ความชื้น แสง อคติ) สำหรับโมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่ถือเป็นอุปสรรคสำคัญก่อนที่จะมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย
นับเป็นเรื่องน่ายินดีที่บริษัทและสถาบันวิจัยกำลังนำร่องการผลิตโมดูลเพอรอฟสไกต์สำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่ ยกตัวอย่างเช่น โมดูลขนาดเล็กที่พิมพ์เสร็จสมบูรณ์โดยใช้เทคนิค R2R มีประสิทธิภาพประมาณ 11% บนพื้นที่ใช้งานประมาณ 50 ตารางเซนติเมตร
บทสรุป
เส้นทางการผลิตฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์ได้พัฒนาจากการเคลือบแบบหมุนธรรมดาไปสู่เทคนิคการพิมพ์แบบใช้ไอระเหยที่ซับซ้อนและปรับขนาดได้ แม้ว่าจะมีความท้าทายในด้านความสามารถในการปรับขนาด ความเสถียร และการรักษาประสิทธิภาพสำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่ แต่ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วนี้กลับนำมาซึ่งความหวังอย่างแรงกล้า นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีการสะสม การควบคุมการตกผลึก และการออกแบบวัสดุ กำลังปูทางให้เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์เปลี่ยนผ่านจากสิ่งที่สนใจในห้องทดลองไปสู่เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์
