新研究实现钙钛矿薄膜规模化制备

暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）新能源技术研究院教授麦耀华、研究员郭飞团队与合作者，研究揭示了前驱体溶剂对钙钛矿结晶动力学的关键调控机制，阐明了配位竞争与过饱和速率平衡对薄膜成核与生长过程的影响规律。相关成果近日发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。

钙钛矿太阳电池光伏性能及稳定性。研究团队供图

钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，因制造成本低、光电转换效率高而备受瞩目。目前，实验室采用旋涂法制备的小面积电池效率已接近晶硅太阳能电池，但如何实现高效率电池的规模化制备，仍是钙钛矿光伏产业化的重要挑战。大面积组件与小面积器件的效率差异，主要源于钙钛矿薄膜沉积时截然不同的结晶动力学，不可控的结晶过程易使薄膜产生大量微观和宏观结构缺陷。

在国家自然科学基金等项目的资助下，研究团队在广泛使用的N,N-二甲基甲酰胺：二甲基亚砜（DMF:DMSO）溶剂体系中引入少量N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），巧妙平衡了结晶过程中的过饱和速率与溶剂配位能力。研究表明，引入的NMP可削弱DMSO与碘化铅的强配位能力，促进前驱体湿膜中溶剂快速解离，利于α相成核；同时，NMP的高沸点特性延缓了湿膜干燥速率，避免过饱和度过高导致无序成核和剩余溶剂被困于中间相膜内部。

基于该结晶调控策略，团队最终制备出致密、晶粒大、缺陷少且埋底无孔洞的高质量钙钛矿薄膜。小面积（0.09平方厘米）钙钛矿太阳能电池光电转换效率达25.38%，开路电压高达1.19V；未封装的电池在惰性氛围中运行1000小时后，仍保持87%的初始效率，展现出优异的长期稳定性和运行耐久性。

为进一步验证结晶调控策略的可扩展性，研究团队与广东脉络能源科技有限公司合作，制备出面积为21.84平方厘米的组件，效率达23.22%。该效率在目前已报道的同类型组件中位居前列，显著缩小了实验室电池与大面积组件之间的效率差距。

该研究不仅为钙钛矿薄膜的可控制备提供了科学依据，也为实现钙钛矿光伏从实验室走向规模化制备提供了普适性技术解决方案。

相关论文信息：https://doi.org/10.1039/d5ee03888j