溶剂工程助力高效稳定甲脒铯基钙钛矿太阳能模组规模化发展

主要内容

展示大面积钙钛矿太阳能电池模块（PSMs）的高效率与稳定性，对于推动这一创新光伏技术的产业化至关重要。近年来，钙钛矿太阳能电池凭借其高光电转换效率、低成本等优势，被视为极具潜力的下一代光伏技术。然而，目前其产业化进程仍面临诸多挑战，其中大面积钙钛矿薄膜的可控制备难题尤为突出，这严重制约了钙钛矿太阳能电池模块的效率提升和稳定性增强。

华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜教授、刘宗豪教授与中国华能集团有限公司带领其团队在此领域取得重要成果。该团队深入探究了一种由2-methoxyethanol（2ME）、N,N-dimethylformamide（DMF）和N-methyl-2-pyrrolidone（NMP）组成的三元溶剂体系，以精细调控formamidinium cesium（FACs）钙钛矿前驱体溶液的溶解度、挥发性和配位特性。

首先，采用2ME和DMF来调节溶液的挥发性及其对Pb²⁺离子的配位作用，进而控制钙钛矿的成核速率。尽管N,N-dimethylformamide（DMF）挥发性较低，但其具有中性配位能力，能够高效溶解前驱体溶质。接着，添加挥发性更强的2-methoxyethanol（2ME）加速湿膜中溶剂的挥发。

然后，引入NMP作为螯合剂，少量非挥发性且配位能力强的N-methyl-2-pyrrolidone（NMP）可促进薄膜内中间相晶核的生成。这里提到的“准稳定中间相”可延长溶液涂布的工艺时间窗口，并有利于后续退火过程中的晶体生长。

为了验证三溶剂体系的优越性，我们将其与传统的二元溶剂体系（如仅含DMF和2ME的体系）进行了对比实验。结果表明，采用三溶剂体系制备的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸、更低的缺陷密度。

本研究采用N₂ - 刀片辅助刮刀涂布技术，设置涂布速度为[X] cm/s，刮刀角度为[X]度，N₂气流速为[X] L/min，以规模化制备高质量FACs基钙钛矿薄膜。通过上述对三溶剂体系各成分作用的详细探究以及规模化制备研究，他们取得了令人瞩目的成果。优化后的溶剂协同作用，有助于制备出具有大晶粒尺寸、低缺陷密度和高均匀性的大面积FACs基钙钛矿薄膜。

基于单一NiO空穴传输层的所得反式PSMs，在有效面积分别为100.15 cm²和2123.18 cm²时，分别实现了18.73%和14.62%的认证效率。此外，封装后的微型电池模块和子电池模块在1个和0.5个太阳当量的白光照射下老化1000小时后，在最大功率跟踪条件下，分别保持了初始效率的97.2%和95.8%。

这些结果不仅充分反映了三溶剂工程在大规模生产高性能PSM中的可扩展性和应用潜力，更为钙钛矿太阳能电池的产业化发展提供了关键技术支持，有望加速其商业化进程。同时，这些高性能的大面积FACs基钙钛矿薄膜还在柔性太阳能电池、可穿戴电子设备等领域展现出广阔的应用前景，为未来能源解决方案提供了新的思路。

文献信息：

Solvent Engineering for Scalable Fabrication of High-Quality Formamidinium Cesium-Based Perovskite Films Toward Highly Efficient and Stable Solar Modules

Zhaoyi Jiang, Fumeng Ren, Qisen Zhou, Binkai Wang, Zhenxing Sun, Mengjie Li, Zhiguo Zhao, Zonghao Liu, Wei Chen

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500598