香港城大Alex Jen&付强&上海高研院冀晓霏等NML：固液两步成膜实现高效稳定的反式钙钛矿太阳能模组

钙钛矿太阳能电池(PSCs)最近在单结电池中实现了26.1%的功率转换效率(PCE)。虽然钙钛矿光伏已经进入了商业化的初步阶段，但其商业化存在两个障碍，包括面积放大导致的性能损失以及制造高质量、大面积和稳定的钙钛矿薄膜的挑战。具有最高效率的小面积器件通常在实验室中通过旋涂制备。然而，这不适用于制备大面积PSCs。目前，大面积钙钛矿薄膜的制备分为溶液工艺和气相工艺。基于溶液的制备方法包括刀片涂层、狭缝涂布、喷墨印刷和丝网印刷。这些方法具有成本效益高、制备速度快、与卷对卷生产相容性好等优点。然而，这些工艺往往会引入有毒溶剂，并且难以控制加工参数。此外，在不平整的基板上制备均匀的薄膜层也具有挑战性。

气相沉积包括热蒸发(TE)和化学气相沉积，在没有溶剂的真空条件下生产钙钛矿薄膜。气相沉积具有形成钙钛矿薄膜厚度、形貌和均匀性的优点，可以保形沉积在不同粗糙度的基板上。然而，碘化铅(PbI₂)和胺盐之间的汽化温度存在很大差异。控制PbI₂和胺盐以合理的沉积速率和精确的比例蒸发具有挑战性。此外，气相沉积还存在前驱体材料利用率低、生产速度慢、能耗高等缺点。在TE过程中，FAI和MAI可能会分解产生HI等腐蚀性气体，从而对设备造成广泛损坏。因此，结合溶液和气相沉积方法的技术来制造高质量的大面积钙钛矿薄膜，可能是理想的选择。

本文亮点

1.采用固-液两步法制备了高质量的大面积钙钛矿薄膜，并结合CsBr的埋底界面调控和尿素添加剂对钙钛矿结晶进行调控。

2.反式钙钛矿太阳能模组(活性面积61.56 cm²)获得了20.56%的效率和提高的稳定性。

内容简介

香港城市大学Alex K.-Y. Jen &付强团队，中科院上海高等研究院冀晓霏以及日本国立弘前大学官国清合作采用了固液两步成膜技术，该技术涉及蒸发碘化铅薄膜和有机卤化铵溶液的刀片涂层以制备钙钛矿薄膜。该方法具有气相沉积和溶液法相结合的优点，可适用于不同粗糙度的基底，避免使用有毒溶剂，以获得更均匀、大面积的钙钛矿薄膜。此外，还利用NiOₓ/钙钛矿埋底界面的改性和尿素添加剂的引入来减少界面复合并调节钙钛矿结晶。可以实现具有更大晶粒、更少针孔和更少缺陷的大面积钙钛矿薄膜。活性面积为61.56 cm² (10 × 10 cm²基板)的反式钙钛矿模组实现了20.56%的功率转换效率，并显著提高了稳定性。该方法提出了一种创新的方法来解决与大面积薄膜制造相关的均匀性问题。

图文导读

IWGID膜的设计、制造和表征

图1. 常见的大面积钙钛矿沉积方法，包括(a)溶液处理技术(叶片涂层、狭缝模具涂层和喷涂)、(b)一步热蒸发和(c)两步热蒸发技术。(d)本工作钙钛矿薄膜制备策略：固液两步成膜结合埋底界面和结晶调控。

图2. (a，b) NiOₓ和NiOₓ/CsBr薄膜的(a) Ni 2p和(b)O 1s区域的XPS光谱。(c) NiOₓ和(d) NiOₓ/CsBr薄膜的c-AFM图像。(e)叶片涂层和(f)气相沉积制备的PbI₂的SEM图像，以及(g)PbI₂/CsBr薄膜。(h)PbI₂薄膜(通过刀头涂层和气相沉积)和PbI₂/CsBr薄膜的XRD图谱。(i-k)相应PbI₂薄膜的2D GIWAXS图案。(l) PbI₂ (001)平面的归一化积分强度。

图3. (a、b)原始钙钛矿薄膜的2D GIWAXS图案(通过叶片涂层和固液沉积制备)，以及(c)用CsBr+尿素改性的钙钛矿薄膜。(d-f)相应原始和改性钙钛矿薄膜的SEM图像。(g) PVSK/CsBr和(h) PVSK/CsBr+尿素的原位PL热图。

图4. (a)用埋底的CsBr和不同浓度的尿素修饰的钙钛矿薄膜的XRD图谱。(b) PVSK/CsBr和PVSK/CsBr+尿素薄膜的光致发光(PL)和(c) 时间分辨光致发光(TRPL)光谱。PVSK/CsBr和PVSK/CsBr+尿素薄膜的(d)N 1s、(e)O 1s、(f)Pb 4f和(g)I 3d的XPS谱。(h) PVSK/CsBr和(i) PVSK/CsBr+尿素薄膜的KPFM图像。

图5. (a) 具有太阳能模块横截面图的配置。(b) 尺寸为10×10 cm²的PSM照片。(c) 基于原始PVSK/CsBr+尿素的PSCs优化J−V曲线。(d)文献中报道的具有n-i-p和p-i-n类型的PSM的PCE与有效面积的关系图。(e)基于原始钙钛矿、PVSK/CsBr和PVSK/CsBr+尿素的15个模块的PCE分布。(f)在85°C下储存在手套箱中的刀片涂层PVSK和PVSK/CsBr+尿素薄膜的XRD图谱。(g) 基于刀片涂层PVSK，PVSK/CsBr和PVSK/CsBr+尿素的PCE演化，储存在85°C的手套箱中。(h) 基于刀片涂层PVSK的未封装PSC的PCE演化，PVSK/CsBr和PVSK/CsBr+尿素在连续照射下储存在N2气氛中(1个太阳照射，白光二极管(LED)，100 mW cm⁻²)。

II总结

本工作展示了一种固液两步成膜技术，可以制备均匀的大面积钙钛矿薄膜。通过针对性地改性NiOₓ/钙钛矿埋底界面并在钙钛矿体相引入尿素添加剂来减少界面复合并调控钙钛矿结晶，从而获得具有更大晶粒、更少针孔和更少缺陷的大面积钙钛矿薄膜。最终，活性面积为61.56 cm²的倒置钙钛矿光伏模组获得了20.56％的光电转换效率。更令人鼓舞的是，它还提高了相应器件在光、热和湿度条件下的稳定性。这种固液两步成膜策略将为高效稳定的大面积钙钛矿光伏模组提供一条新途径，并促进该技术的商业化。

Zhang, J., Ji, X., Wang, X. et al. Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Modules Enabled by Solid–Liquid Two-Step Film Formation. Nano-Micro Lett. 16, 190 (2024).

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01408-2

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