导语

钙钛矿太阳电池具有商业化和实际应用的前景。然而，高质量的钙钛矿薄膜通常是在惰性气体氛围的手套箱中制备的，后续仍需进行耗能的热退火后处理，成本效益不高。鉴于此，2023年6月13日中山大学吴武强教授&华南理工大学薛启帆教授&河北大学杨少鹏教授合作提出了一种简单的制造策略，可以在环境空气中（相对湿度~50%）无需后续的热退火处理，通过室温刮涂制备高结晶的钙钛矿薄膜。钙钛矿前驱体化学采用溶剂工程技术，利用2-甲氧基乙醇（2ME）与卤化铵类具有很强的配位性的特点，形成高度均匀的小粒径胶体，使钙钛矿薄膜即使在室温下也能均匀成核、快速结晶。相关成果在线发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202303674）。

前沿科研成果

调控前驱体化学实现空气中室温制备钙钛矿薄膜用于高效稳定的太阳电池并提高重复性

钙钛矿太阳电池（PSC）目前正处于从实验室规模到工业规模的快速过渡阶段。然而，最先进的高性能PSC通常依赖于耗能/耗时的热退火后处理以制备高质量的钙钛矿薄膜，限制了高通量制备的成本。显然，为了降低制造成本，减少热退火步骤是非常可取的，从而使钙钛矿太阳电池更具成本效益。然而，在室温制造的情况下，钙钛矿的成核和结晶会失去控制，导致形成形貌差、缺陷密度高的钙钛矿薄膜，从而导致器件性能下降。

基于此，近日，中山大学吴武强教授课题组与华南理工大学薛启帆教授和河北大学杨少鹏教授合作，提出定制前驱体化学的创新性策略，将预先合成的钙钛矿微晶体溶解在2ME溶剂中来定制前驱体化学，这使得在室温下，无论湿度如何（~50% RH）都能在环境空气中制造出结晶度提高、缺陷密度低的高质量钙钛矿薄膜。

图1. 2ME或DMF定制钙钛矿前驱体溶液化学的示意图(a)；MAPbI3微晶在DMF或2ME溶剂中的动态光散射光谱(b)和丁达尔效（插图）；DMF、DMF-MAI、DMF-PbI2和DMF-MAI-PbI2溶液的FTIR谱图(c)；2ME、2ME-MAI和2ME-MAI-PbI2溶液的拉曼光谱(d)；2ME-钙钛矿前驱体溶液连续稀释的PbI2析出图(e)。（图片来源：Advanced Functional Materials）

2ME的存在加强了前驱体溶剂分子与有机卤化物组分之间的配位，巧妙地调节小尺寸胶体的形成，这些胶体均匀地分散在钙钛矿前驱体中，即使没有热退火后处理，这仍有利于钙钛矿膜的均质成核和快速结晶，从而形成表面覆盖致密、晶粒尺寸增大的高质量钙钛矿薄膜。

图2. 真空辅助刮涂实现室温制备钙钛矿薄膜示意图(a)；DMF或2ME室温处理的钙钛矿膜以及2ME热退火膜的表面I/Pb比(b)；分别由DMF或2ME室温制备的钙钛矿薄膜的XRD谱图 (c)，SEM图 (d, e)，PL谱图 (f, g) 和TRPL (h)。（图片来源：Advanced Functional Materials ）

实验发现，调整溶剂与溶质的配位确保室温加工的钙钛矿薄膜具有更高的结晶度以及更理想的I/Pb化学计量比的同时，有效降低了薄膜的缺陷密度。2ME作为前驱体溶剂在室温下制备的钙钛矿薄膜的结晶度和缺陷密度与退火后的钙钛矿薄膜几乎相同，进一步削弱了后退火的必要性。基于2ME室温制备的PSC的缺陷密度比DMF制备的薄膜小了近0.5-1个数量级。同时，优化后的钙钛矿膜的电荷转移速率提高了45%。

即使在~50% RH的高湿度环境空气中，无退火处理制备的MAPbI3钙钛矿太阳能电池的效率高达19.16%，迟滞可以忽略不计，重现性得到了改善，这与在N2中制备的高温退火的钙钛矿太阳能电池效率相当，比使用传统DMF溶剂制备的对照电池（13.13%）高出约46%，是室温制备的钙钛矿太阳能电池中报道的最高效率之一。未封装的器件寿命超过1000小时，几乎没有效率损失。该研究为制备高效、稳定和可重复的PSC提供了一种简单而经济的途径，有利于加快高性能PSC的高通量生产和潜在的商业化。

本篇工作通讯作者为中山大学吴武强教授、华南理工大学薛启帆教授及河北大学杨少鹏教授，中山大学硕士研究生方玉璇为该论文的第一作者。

邀稿

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