钙钛矿电池镀膜解决方案

1. 电子传输层

• 无机ETL（如SnO₂, TiO₂）：

  • 技术： 磁控溅射

  • 工艺： 使用金属靶（如Sn, Ti），在氩气和氧气的混合气体中进行反应溅射。通过精确控制氧分压和功率，可以制备出高质量、致密且均匀的ETL薄膜。

  • 优势： 非常适合大面积制备，薄膜质量高，与后续PVD工艺兼容性好。

  • 挑战： 溅射粒子可能对底层造成轻微损伤，需要优化工艺参数（如低功率溅射）来避免。

• 有机ETL（如C₆₀, PCBM）：

  • 技术： 热蒸发

  • 优势： 成膜质量好，无溶剂，易于与钙钛矿PVD工艺集成在同一真空腔室中，实现全干法连续制备。

2. 核心：钙钛矿吸收层 – PVD解决方案的皇冠

这是全PVD工艺的难点和重点。主要有两种技术路径：

A. 共蒸发法

• 原理： 这是目前最成功、最主流的钙钛矿PVD方案。将钙钛矿的有机组分（如MAI, FAI）和无机组分（如PbI₂, PbBr₂, CsBr）分别放在独立的蒸发源中。通过精确控制各个源的蒸发速率和基板温度，使这些组分在基板表面共同沉积并反应，直接形成钙钛矿薄膜。

• 技术优势：

  • 极高的均匀性： 可实现大面积（>1m²）超均匀的薄膜沉积，这是产业化的关键。

  • 无溶剂、环境友好： 避免了溶液法中有毒溶剂（如DMF）的使用和处理。

  • 精确的组分控制： 通过石英晶振膜厚仪实时监控蒸发速率，可以精确调控钙钛矿的化学计量比，实现高性能和高重复性。

  • 易于制备多层和梯度结构： 通过程序控制各源速率，可以轻松制备带隙梯度的钙钛矿层，以捕获更宽范围的光谱。

• 挑战：

  • 设备复杂且昂贵： 需要多源共蒸系统，并配备高精度的速率控制系统。

  • 材料利用率： 传统点源的材料利用率相对较低（但可通过线性源等技术改善）。

  • 工艺窗口窄： 需要精确优化各源的温度、速率匹配和基板温度。

B. 溅射法/溅射后反应法

• 原理：

  1. 金属铅溅射： 首先使用磁控溅射沉积一层超薄、非连续的金属Pb膜。

  2. 反应蒸发： 然后将基板转移至含有有机碘化物（如MAI）蒸汽的环境中（或通过蒸发MAI），使其与Pb膜反应生成钙钛矿。

  3. 另一种方案： 依次溅射沉积PbI₂和有机碘化物层，然后通过退火使其反应。

• 优势： 可以利用成熟、高速的溅射技术。

• 挑战： 控制金属Pb的形貌（岛状结构）非常困难，难以获得高质量、致密的钙钛矿薄膜，目前效率和质量通常不如共蒸发法。

结论： 对于产业化的钙钛矿PVD路线，多源共蒸发是制备吸收层的首选和主流方向。

3. 空穴传输层

• 无机HTL（如NiOₓ, MoOₓ, CuI）：

  • 技术： 磁控溅射（反应溅射）

  • 优势： 高稳定性、高导电性、成本低于有机材料，且非常适合大面积沉积。

• 有机HTL（如Spiro-OMeTAD, TFB）：

  • 技术： 热蒸发

  • 优势： 工艺简单，成膜质量好。但传统Spiro-OMeTAD的蒸发温度较高，且通常需要后续的掺杂处理（如锂盐），这会为全干法工艺带来挑战。

4. 顶电极

• 技术： 热蒸发

• 原因： 工艺简单，对下面柔软的有机或钙钛矿层损伤最小。通过掩膜板可以图形化。

• 材料： 金、银、铝、铜等。为了制备半透明电池或叠层电池，也会使用磁控溅射制备ITO作为顶电极，但需要非常小心地控制溅射条件，防止高能粒子轰击损坏底层器件。