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导读

与其他光伏材料相比，钙钛矿太阳能电池在性能的提升方面表现出了惊人的速度。近期，来自德国柏林科技大学的Steve Albrecht等研究者在Science正刊中报道了一个单片钙钛矿/硅串联太阳能电池，其认证的功率转换效率高达29.15%，预计还会进一步提高。现如今，钙钛矿太阳能电池生产技术逐渐趋于成熟，生产设备也逐渐小型化和便捷化。继2009年和2012年的早期关键实验之后，人们对这些生产设备的兴趣激增，目前正在进一步优化它们的性能，并寻找可行的商业应用路线。本文，我们将带您看看钙钛矿太阳能电池材料的制造过程和相关技术。

钙钛矿光伏薄膜材料制备

太阳能电池的制备过程主要分为薄膜的制备和后续的加工。对于薄膜的制备技术目前主要有液体旋涂和真空镀膜两类。旋涂技术由于设备简单，易于快速搭建等特点很容易在实验室实现。但是其规模化拓展性较差，器件的重复性和稳定性以及与后续加工流程的兼容性等方面仍有不足。在真空镀膜方面目前较为流行的是采用物理气象沉积（physical vapor deposition—PVD），例如热蒸发等方式。

对于热蒸发技术来说，在真空室中加热钙钛矿前驱体，使它们向上蒸发并覆盖在基片上。通过对过程的精细控制，形成所需的钙钛矿薄膜。热蒸发方法制备出的薄膜不仅性能出色，同时还能与太阳能电池制造过程中需要的其他过程具备良好的兼容性(例如，传输层和金属接触层的沉积也经常使用PVD)。

热蒸发制备方案概要

以制备钙钛矿太阳能电池的常用材料MAI和PbI2为例，MAI蒸发温度约为150℃，而金属卤化物PbI2需要400℃~500℃。这与常规的金属热蒸发相比温度低很多，但对热蒸发源温度控制的精准性要求较高。传统金属热蒸发更注重所能达到的高温（可达~1800℃），如果采用传统的蒸发源生长钙钛矿材料很容易导致温度过冲，制备的薄膜性能不稳定，甚至前驱体会瞬间挥发殆尽导致生长失败。钙钛矿光伏材料除了在较低温度下生长之外，沉积速率也是一个重要的控制变量。由于沉积速率并非温度的直接函数，钙钛矿材料在沉积时需要对每一个蒸发源的速率进行标定与检测。通常在热蒸发过程中，可以采用晶振探头来探测每一个蒸发源的蒸发速率。对于常规的金属热蒸发过程，材料从蒸发源沿着直线方向到达衬底，按照类似于标准分布函数的规律在衬底上沉积成薄膜。然而对于非常易挥发的材料，例如MAI，蒸发过程中会首先在源上方形成较高的蒸气压，这会导致材料向侧方扩散，导致材料在腔体的其他部位形成非必要的沉积。因此，对于钙钛矿光伏材料的沉积过程必须控制得更加精密，否则MAI容易导致其他材料的晶振传感器被污染。

专业的低温热蒸发技术与设备

英国Moorfield Nanotechnology公司基于多年的薄膜设备生产经验发布了低温蒸发(LTE)技术和相关设备。这使得科研人员能够快速建立性能卓越的钙钛矿光伏薄膜沉积系统。Moorfield Nanotechnology用于钙钛矿太阳能电池制备的设备包括台式nanoPVD - T15A，以及功能增强型的落地式MiniLab系列。台式nanoPVD - T15A可以集成金属/绝缘体溅射、金属热蒸发、有机物蒸发功能，在同一台设备中可以实现多种制备手段的组合，将薄膜制备带入了新的高度。系统通过7英寸触摸屏控制，自动化程度高，各种制备方式可以自由切换，甚至可以同时进行。用户可以通过灵活的制备手段在在同一台设备中制备不同的薄膜或者是复合薄膜。这样的低温热蒸发系统具有以下几方面的优点。

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设备技术特点

☛ 台式设备配置灵活

☛磁控溅射、热蒸发、有机物蒸发

☛ 三种制备手段可灵活组合

☛ 可制备金属、有机物、电介质薄膜

☛多达3个流量计控制过程气体

☛ 高精度自动气压控制选件

☛ 全自动触屏操作系统

☛基片大至4英寸

☛ 可选基片加热

☛ 本底真空

☛ 可选共溅射（蒸发）功能

☛ 可选晶振膜厚标定功能

☛ 定义保存多个制备程序

☛ 全面的安全性设计

☛ 超净间兼容

☛ 稳定的性能

nanoPVD ST15A外观图

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手套箱集成式系统

虽然成品PSCs元件可以在大气条件下使用，但通常有必要在惰性气氛下进行器件封装制造。因为在最后的保护涂层覆盖之前，湿气和氧气会对材料性能造成影响。因此，一些PSC制备工作通常在惰性气体(如纯氩气或氮气)的手套箱中进行。

基于MiniLab 026和MiniLab 090平台的Moorfield LTE系统可以与手套箱集成，允许在惰性气氛中对衬底或样品进行加工处理。Moorfield可以提供整套的手套箱集成系统或与客户指定的手套箱进行集成。其中MiniLab 026系统可以与用户已有的手套箱进行现场的集成安装。

Minilab090系统样品腔（左），与手套箱集成的系统（右）

总结

钙钛矿材料在太阳能电池方面表现出良好的前景，真空蒸发镀膜是一种很有前途的制备方法且容易实现工业化生产。用于钙钛矿薄膜制备的沉积系统需要进行优化设计，以提高薄膜材料的品质。Moorfield Nanotechnology公司具有雄厚的专业技术基础和先进的设备解决方案材料制备技术，包括全套LTE蒸发源、过程控制选件和完整的沉积系统。此外Moorfield Nanotechnology还提供其他多种材料制备的专业设备，例如磁控溅射、电子束蒸发、快速制备石墨烯的nanoCVD系统。

背景介绍

Moorfield Nanotechnology是英国材料科学领域高性能仪器研发公司，成立25年来专注于高质量的薄膜生长与加工技术材料制备技术，拥有雄厚的技术实力，推出的多种高性能设备受到科研与工业领域的广泛好评。Moorfield公司近十年来与曼彻斯特大学诺奖技术团队紧密合作，推出的台式高精度薄膜制备与加工系列产品由于其体积小巧、性能优异、易于操作更是受到很多科研单位的赞誉。这些设备已经进入了欧洲多所科研院所的实验室，诸如曼彻斯特大学、剑桥大学、帝国理工学院、诺森比亚大学、巴斯大学、埃克塞特大学、伦敦玛丽女王大学、哈德斯菲尔德大学、莱顿大学、亚森工业大学、西班牙光子科学研究所、英国国家物理实验室等单位都是Moorfield Nanotechnology的用户和长期合作者。诸多的用户与合作者让产品的性能和设计理念得到了高速发展，并迈入全球化的进程。

Quantum Design中国子公司与Moorfield Nanotechnology正式合作，作为中国的代理和战略合作伙伴，为中国用户提供高性能的设备与优质的服务。除了台式设备之外我们还提供多种大型设备和定制服务。目前国内已有包括清华大学、西湖大学、大连理工大学、广东工业大学、中科院等多个单位采购了不同型号的Moorfield高性能薄膜制备与加工设备。

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台式高精度薄膜制备与加工系统最新动态

Moorfield Nanotechnology在中国科学院技术物理研究所的首台设备安装成功，本次在技术物理研究所安装的是台式超精准二维材料等离子软刻蚀系统—nanoETCH。该系统对输出功率的分辨率可达毫瓦量级，对二维材料可实现超精准的逐层刻蚀，也可实现二维材料层内缺陷制造，此外还可对石墨基材等进行表面处理。该系统目前正处于技术培训阶段，不日将正式交付使用。

中国科学院技术物理研究所安装的nanoETCH系统

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