调控溶液扩展与中间相演变以制备大面积钙钛矿薄膜及太阳能组件

(资料图片)

中国科学院国家纳米科学中心，广东工业大学，电子科技大学，西安交通大学，西安电子科技大学，华南理工大学和河海大学使用自扩展方法制备卤化物钙钛矿薄膜，给行业提供了一种简单且无需设备的替代方案。然而，该方法在以往的应用中仅限于小面积的圆形薄膜。在本工作中，我们提出了通过使用溶剂和固体添加剂控制钙钛矿溶液的扩散和结晶行为的策略，从而实现了在环境条件下自扩展制备大面积(高达100 cm²)钙钛矿薄膜。

图(a)自扩散法薄膜形成过程示意图。 (b)钙钛矿溶液中溶剂(DMF)及溶剂添加剂的化学结构。 (c)使用不同溶剂添加剂(体积比5%)制备的钙钛矿薄膜面积。 (d) 40 °C热板上液滴早期阶段的模拟温度梯度。 (e)钙钛矿溶液滴的扩散机制。 (f)不同温度下溶液自扩散在基板(2 cm × 2 cm)上制备的钙钛矿薄膜照片及对应薄膜面积。

这些添加剂对结晶过程的影响通过原位光吸收光谱得以阐明，结果显示反应路径因添加剂组成而异。在空气中制备了高质量钙钛矿薄膜，无需使用反溶剂或真空辅助工艺，从而制备出光电转换效率(PCE)为23.61%的太阳能电池。此外，我们展示了P2和P3线路的无激光制备工艺，实现了97.3%的高几何填充因子和19.88%的光电转换效率(有效面积：14.1 cm²)—这是采用非激光工艺制备的钙钛矿太阳能模块的最高有效面积PCE。本研究强调了一种可扩展且具有成本效益的高性能制备钙钛矿太阳能电池和模组的途径。

总之，通过引入各种添加剂，有效地控制了钙钛矿溶液的扩展和结晶行为，从而能够在常温条件下通过溶液自扩展工艺制备大面积钙钛矿薄膜。加入异丙醇显著改善了前体溶液的润湿性，促进了大面积均匀、高质量钙钛矿薄膜的形成。

图(a)使用不同添加剂制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)。(b)由反向扫描和正向扫描测得的冠军电池的J-V曲线。(c)制作P2线的机械划线方法示意图。(d)由机械划线制得的P2线的光学显微图像。(e)由激光划线制得的P1线和由机械划线制得的P2线的光学显微图像。(f)钙钛矿薄膜上带有金属网格的掩膜示意图。(g)模块中P1、P2和P3线的光学显微图像。(h)使用非激光处理的P2和P3线模块的J-V曲线及照片。(i)使用非激光处理(P2和/或P3线)制备的钙钛矿太阳能模块的几何填充因子(GFF)和PCE(孔径面积PCE)对比。(消息来源：Energy & Environmental Science)

与此同时，MACl和OACl等添加剂提升了薄膜的结晶性和形貌，同时降低了缺陷密度。通过原位光吸收测量研究了不同添加剂组合下钙钛矿薄膜的结晶动力学。对于仅含有PACl、PenACl或OACl的溶液，干燥薄膜中主要形成二维钙钛矿相，随后在热退火过程中转变为所需的α-FAPbI₃相。相反，当同时存在MACl和OACl(或PACl和PenACl)时，MAPbI₃会首先形成，然后通过包含MA⁺和FA⁺离子的阳离子交换过程转化为α-FAPbI₃。OACl的缓慢挥发有助于调节反应动力学，从而促进高质量FAPbI₃薄膜的生长。

采用这一策略，我们在室温空气中制备的小面积太阳能电池获得了23.61%的光电转化效率(PCE)，无需使用抗溶剂或辅助真空淬火技术。此外，通过优化溶液滴加方法，我们成功制备了均匀的大面积钙钛矿薄膜。采用无激光P2/P3线制备工艺，我们进一步展示了钙钛矿太阳能组件，其几何填充因子高达97.3%，光电转化效率达到19.88%(开口面积：14.1 cm²)，这是非激光处理P2/P3线钙钛矿组件的最高开口面积PCE。这一简便的制备工艺有望加速钙钛矿组件在工业制造中的优化。

本研究提出了一种简单、可扩展且具有成本效益的高性能钙钛矿太阳能电池及组件制备方法，为其实际应用和工业生产铺平了道路。

关键词： 太阳能组件 太阳能电池