生产高效率及大面积的钙钛矿薄膜取得进展

　　在过去的十年中，混合有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池 (PSC) 引起了广泛的关注，其功率转换效率 (PCE) 现在已超过 25%。升级高效且稳定的钙钛矿层是钙钛矿太阳能电池商业化中最具挑战性的问题之一。

　　2021年6月18日，武汉理工大学黄福志团队在Science 在线发表题为“Lead halide–templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules”的研究论文，该研究开发了一种以卤化铅为模板的结晶策略，用于“印刷”甲脒（FA）-铯（Cs）三碘化铅钙钛矿薄膜。

　　高质量的大面积薄膜是通过卤化铅•N-甲基-2-吡咯烷酮加合物的受控成核和生长实现的，该加合物可以与嵌入的 FAI/CsI 原位反应，直接形成 α 相钙钛矿，避开 δ相。通过进一步添加六氟磷酸钾，可实现在环境空气中具有 23% 效率和出色长期热稳定性（85°C）（500 小时后效率保持率约为 80%）的非封装器件。槽模印刷微型模块的效率分别为 20.42%（认证效率 19.3%）和 19.54%，有效面积分别为 17.1 和 65.0 平方厘米。总之，这项工作中无抗溶剂调制的高质量钙钛矿薄膜在所有报道的工作中表现出最高的效率，表明实现大面积高质量钙钛矿薄膜的高加工性。

　　我们发现，这是武汉理工大学首次以第一单位在Science 发表研究成果。

　　在过去的十年中，混合有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池 (PSC) 引起了广泛的关注，其功率转换效率 (PCE) 现在已超过 25%。这种发展归因于钙钛矿材料固有的优越光电性能，这些材料具有可调带隙、高吸收系数和长载流子扩散长度。特别是，PSC 可以通过无数低成本的溶液工艺制造，这为未来的商业化提供了广阔的前景。然而，可扩展性和稳定性问题阻碍了它们的产业化。

　　制造大面积 PSC 的最重要先决条件是高质量钙钛矿薄膜的沉积。溶液中钙钛矿的成核和晶体生长在很大程度上是无法控制的，通常会导致多孔薄膜，这会极大地损害器件的性能 。面积越大，就越难获得均匀的结晶膜。已经进行了各种努力来控制成核和晶体生长以扩大钙钛矿薄膜。许多策略——包括抗溶剂浴、软覆盖涂层、气流、真空或热辅助和增材工程——已成功用于制造高质量的大型-区域钙钛矿薄膜。

　　然而，MAPbI3 钙钛矿在高温或光照下表现出较差的稳定性。相反，不含 MA 的钙钛矿，如甲脒三碘化铅 (FAPbI3) 或甲脒-铯三碘化铅 [(FACs)PbI3]，由于其较高的相变温度而显示出良好的热稳定性。此外，与 MAPbI3 相比，FAPbI3 的光学带隙更窄有助于提高效率。不幸的是，基于 FA 的钙钛矿的成核和晶体生长更难控制。或者，控制钙钛矿中间体的成核可能是可行的，例如它们的溶剂配位配合物 。然而，溶剂配位的 FA 基钙钛矿配合物的成核率仍然不够高。

　　事实上，除了一步法之外，两步法也广泛用于制造小面积钙钛矿薄膜。在第一步中很容易获得致密的 PbI2 膜，但在第二步中沉积的 FAI 很难扩散到 PbI2 膜的底部以引发完全反应。在钙钛矿前驱体溶液中，如果 FAI 和 PbI2 物质不形成钙钛矿或溶剂配位的钙钛矿复合物，则成核将以 PbI2 为主，因此更容易形成致密的薄膜。由于在 PbI2 薄膜的形成过程中嵌入了 FAI，因此通过随后的热退火更容易引发 PbI2 和 FAI 之间的原位反应，从而产生致密的钙钛矿薄膜。因此，钙钛矿的结晶是由 PbI2 衍生的晶体模板化的。该研究开发了一种以卤化铅为模板的结晶策略，用于“印刷”甲脒（FA）-铯（Cs）三碘化铅钙钛矿薄膜。

　　高质量的大面积薄膜是通过卤化铅•N-甲基-2-吡咯烷酮加合物的受控成核和生长实现的，该加合物可以与嵌入的 FAI/CsI 原位反应，直接形成 α 相钙钛矿，避开 δ相。 通过进一步添加六氟磷酸钾，可实现在环境空气中具有 23% 效率和出色长期热稳定性（85°C）（500 小时后效率保持率约为 80%）的非封装器件。 槽模印刷微型模块的效率分别为 20.42%（认证效率 19.3%）和 19.54%，有效面积分别为 17.1 和 65.0 平方厘米。

　　总之，这项工作中无抗溶剂调制的高质量钙钛矿薄膜在所有报道的工作中表现出最高的效率，表明实现大面积高质量钙钛矿薄膜的高加工性。