纳米能源所魏迪Small新作：气相热结晶，空气制23.72% PSCs

主要内容

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells, PSCs）凭借其理论效率上限超33%的潜力，成为光伏领域的研究热点。然而，其商业化进程仍受制于传统制备工艺的两大瓶颈：反溶剂（antisolvent）的依赖性及长达数十分钟的退火处理需求，导致规模化生产面临可扩展性差（单台设备产能＜10 MW/年）与成本高昂（＞0.3美元/W）的双重挑战。针对这一难题，中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员联合中国科学院国家纳米科学中心肖作研究员、左传天研究员等科研团队，创新性地提出了一种气相辅助热结晶法——通过在结晶阶段引入特定溶剂蒸气环境（如DMSO、tBP、PEA的动态混合蒸气），利用溶剂蒸气与钙钛矿前驱体的动态相互作用调控结晶路径，实现了钙钛矿薄膜质量的颠覆性提升，为高效稳定钙钛矿光伏器件的规模化制造开辟了新路径。

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工艺创新：气相介导突破传统局限

该工艺突破传统制备技术的双重瓶颈，将结晶与退火过程压缩至不足3分钟（较反溶剂旋涂法效率提升超10倍），并可在环境空气中直接操作（湿度容忍度提升至60% RH），彻底摆脱对反溶剂的依赖。通过引入二甲基亚砜（DMSO）、3-噻吩硼酸（tBP）与苯乙基碘化铵（PEA）的协同蒸气环境（体积比1000:60:1），系统调控结晶动力学：

结晶性增强：XRD显示钙钛矿峰强度提升40%；

缺陷抑制：缺陷态密度降低至10¹⁵ cm⁻³以下；

晶界致密化：SEM显示晶界宽度缩小至50 nm以内。

研究团队成功分离成核与生长阶段，在30秒内制备出平均晶粒尺寸＞1 μm、针孔密度＜0.1个/cm²的高质量薄膜，为规模化生产奠定基础。

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性能突破：三项关键技术提升器件效率与稳定性

晶粒生长优化
DMSO蒸气延长成核与晶体生长周期（成核密度降低50%），抑制副产物碘化铅（PbI₂）相形成（XRD峰强度降低90%），生成大尺寸晶粒。

缺陷钝化机制
tBP/PEA蒸气通过Pb-N和Pb-NH₂键合钝化界面缺陷，PL寿命延长至3 μs以上，非辐射复合速率降低80%，显著提升载流子传输效率。

光管理提升
晶界致密化消除光散射与透射损失，反射率降低至5%以下，透光率提升至92%，增强光吸收能力。

基于该工艺的钙钛矿太阳能电池实现23.72%的光电转换效率（认证效率23.1%），创热结晶法领域最高纪录。器件在环境空气中（25℃, 30% RH）暴露312小时后仍保持96%初始效率（通过IEC61215标准加速老化测试），展现出优异稳定性。

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产业化前景：高效节能解决方案推动GW级量产

与传统退火工艺（约30分钟）相比，气相工程策略总加热时间缩短至3分钟以内，热能耗降低超90%（单片电池能耗＜0.05 kWh），大幅降低生产成本。研究验证了该工艺在提升效率（ΔPCE=+3.2% vs. 传统工艺）与延长寿命（T80＞3000 h）方面的显著优势，系统性解决了产业化核心痛点：

反溶剂污染：完全消除有毒溶剂使用；

能耗高：加热时间缩短90%；

良率低：薄膜均匀性提升，针孔密度降低90%。

随着蒸气成分动态调控、设备集成化等技术的进一步优化，预计5年内可实现钙钛矿电池的GW级量产，为全球可再生能源转型提供低成本、高效率的光伏解决方案。

文献信息

EfficientPerovskiteSolarCellsMadebyUsingaVapor-AssistedHotCrystallizationMethodinAir

LingjieLv,ChuantianZuo,LixiuZhang,ZuoXiao,QinyeBao,ChenyiYi,JingjingChang,KeyouYan,YongDing,CongcongWu,KeJin,HuaDong,DiWei,LimingDing

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202506937