生產高效率及大面積的鈣鈦礦薄膜取得進展

　　在過去的十年中，混合有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 引起了廣泛的關注，其功率轉換效率 (PCE) 現在已超過 25%。升級高效且穩定的鈣鈦礦層是鈣鈦礦太陽能電池商業化中最具挑戰性的問題之一。

　　2021年6月18日，武漢理工大學黃福志團隊在Science 在線發表題為“Lead halide–templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules”的研究論文，該研究開發了一種以鹵化鉛為模板的結晶策略，用于“印刷”甲脒（FA）-銫（Cs）三碘化鉛鈣鈦礦薄膜。

　　高質量的大面積薄膜是通過鹵化鉛?N-甲基-2-吡咯烷酮加合物的受控成核和生長實現的，該加合物可以與嵌入的 FAI/CsI 原位反應，直接形成 α 相鈣鈦礦，避開 δ相。通過進一步添加六氟磷酸鉀，可實現在環境空氣中具有 23% 效率和出色長期熱穩定性（85°C）（500 小時后效率保持率約為 80%）的非封裝器件。槽模印刷微型模塊的效率分別為 20.42%（認證效率 19.3%）和 19.54%，有效面積分別為 17.1 和 65.0 平方厘米。總之，這項工作中無抗溶劑調制的高質量鈣鈦礦薄膜在所有報道的工作中表現出最高的效率，表明實現大面積高質量鈣鈦礦薄膜的高加工性。

　　我們發現，這是武漢理工大學首次以第一單位在Science 發表研究成果。

　　在過去的十年中，混合有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 引起了廣泛的關注，其功率轉換效率 (PCE) 現在已超過 25%。這種發展歸因于鈣鈦礦材料固有的優越光電性能，這些材料具有可調帶隙、高吸收系數和長載流子擴散長度。特別是，PSC 可以通過無數低成本的溶液工藝制造，這為未來的商業化提供了廣闊的前景。然而，可擴展性和穩定性問題阻礙了它們的產業化。

　　制造大面積 PSC 的最重要先決條件是高質量鈣鈦礦薄膜的沉積。溶液中鈣鈦礦的成核和晶體生長在很大程度上是無法控制的，通常會導致多孔薄膜，這會極大地損害器件的性能 。面積越大，就越難獲得均勻的結晶膜。已經進行了各種努力來控制成核和晶體生長以擴大鈣鈦礦薄膜。許多策略——包括抗溶劑浴、軟覆蓋涂層、氣流、真空或熱輔助和增材工程——已成功用于制造高質量的大型-區域鈣鈦礦薄膜。

　　然而，MAPbI3 鈣鈦礦在高溫或光照下表現出較差的穩定性。相反，不含 MA 的鈣鈦礦，如甲脒三碘化鉛 (FAPbI3) 或甲脒-銫三碘化鉛 [(FACs)PbI3]，由于其較高的相變溫度而顯示出良好的熱穩定性。此外，與 MAPbI3 相比，FAPbI3 的光學帶隙更窄有助于提高效率。不幸的是，基于 FA 的鈣鈦礦的成核和晶體生長更難控制。或者，控制鈣鈦礦中間體的成核可能是可行的，例如它們的溶劑配位配合物 。然而，溶劑配位的 FA 基鈣鈦礦配合物的成核率仍然不夠高。

　　事實上，除了一步法之外，兩步法也廣泛用于制造小面積鈣鈦礦薄膜。在第一步中很容易獲得致密的 PbI2 膜，但在第二步中沉積的 FAI 很難擴散到 PbI2 膜的底部以引發完全反應。在鈣鈦礦前驅體溶液中，如果 FAI 和 PbI2 物質不形成鈣鈦礦或溶劑配位的鈣鈦礦復合物，則成核將以 PbI2 為主，因此更容易形成致密的薄膜。由于在 PbI2 薄膜的形成過程中嵌入了 FAI，因此通過隨后的熱退火更容易引發 PbI2 和 FAI 之間的原位反應，從而產生致密的鈣鈦礦薄膜。因此，鈣鈦礦的結晶是由 PbI2 衍生的晶體模板化的。該研究開發了一種以鹵化鉛為模板的結晶策略，用于“印刷”甲脒（FA）-銫（Cs）三碘化鉛鈣鈦礦薄膜。

　　高質量的大面積薄膜是通過鹵化鉛?N-甲基-2-吡咯烷酮加合物的受控成核和生長實現的，該加合物可以與嵌入的 FAI/CsI 原位反應，直接形成 α 相鈣鈦礦，避開 δ相。 通過進一步添加六氟磷酸鉀，可實現在環境空氣中具有 23% 效率和出色長期熱穩定性（85°C）（500 小時后效率保持率約為 80%）的非封裝器件。 槽模印刷微型模塊的效率分別為 20.42%（認證效率 19.3%）和 19.54%，有效面積分別為 17.1 和 65.0 平方厘米。

　　總之，這項工作中無抗溶劑調制的高質量鈣鈦礦薄膜在所有報道的工作中表現出最高的效率，表明實現大面積高質量鈣鈦礦薄膜的高加工性。