北大周欢萍组最新AFM：从小面积到大尺寸组件-钙钛矿薄膜的制备

2025-02-20ASPCMS社区 - fjmyhfvclm

️主要内容：

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率、低成本以及广泛的应用潜力，成为光伏领域的研究热点，并有望在未来光伏市场中占据重要地位。然而，大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）和稳定性仍无法满足工业化要求，主要与大面积钙钛矿薄膜的质量不理想有关。

️北京大学材料科学与工程学院周欢萍教授带领其团队，在该领域展开了深入研究。在本文中首先剖析了致使小面积与大面积钙钛矿薄膜质量出现差异的因素，涵盖溶剂蒸发过程、反应动力学以及结晶动力学等。正是这些因素，使得大面积钙钛矿薄膜在形貌、成分、相态、晶体尺寸与取向等方面呈现出显著的不均匀性，最终对其光电性能及稳定性产生负面影响。针对不同的可扩展制备工艺，溶剂系统依据其挥发性、溶解性以及与钙钛矿的配位能力进行了定制。

此外，团队还引入了多种添加剂，以进一步调控表面张力变化和中间相演变。在溶液法制备钙钛矿薄膜的过程中，放大难题尤为突出。文中对比了刮涂法、狭缝涂布法和喷雾涂布法等大面积制备方法与旋涂法的不同。随后，依据成核与晶体生长的经典理论，周欢萍教授团队对可扩展方法与旋涂法在实验室小面积器件及大面积器件制备方面的差异展开了分析。

其主要区别在于：其一，在可扩展技术中，溶剂蒸发速率更为缓慢，进而引发成核延迟；其二，晶体生长过程更多地依赖于反应而非扩散，致使晶粒生长呈现出不规则状态。文章亦回顾了近期团队旨在改善液膜流动、调控钙钛矿成核与结晶所进行的尝试，诸如采用气刀辅助、基板加热，以及混合挥发性与配位性溶剂等手段。这些“溶剂定制”策略通过调控钙钛矿晶体的成核和生长动力学，有效降低了缺陷密度并优化了晶体取向，从而提升了薄膜质量。要实现大面积、均匀且高质量的钙钛矿薄膜，需要针对不同的大面积制备技术优化溶剂体系和钙钛矿成分。

此外，文章还探讨了不同添加剂和界面修饰对薄膜形成过程中热力学、晶体生长和缺陷钝化的影响。商业领域中大面积钙钛矿器件所面临的主要挑战聚焦于光电转换效率（PCE）与稳定性方面。为了降低成本并提高竞争力，未来的研究需要解决以下问题：

第一，当前大规模钙钛矿太阳能模块（PSMs）的效率仍落后于晶体硅模块。例如，面积达13177平方厘米的钙钛矿太阳能模块，其效率仅为24.4%。从实验室规模到大面积生产的过渡是关键。周欢萍教授团队认为，鉴于反应与扩散过程极为剧烈，致使晶体质量的控制难度大幅增加，因此需要更好地理解大规模生产中溶液到固相成核和晶体生长的机制。不受控的结晶现象会致使钙钛矿薄膜产生小晶粒、光活性相纯度低、取向不佳以及表面不平整等问题。切实有效的应对策略是引入适宜的电子供体或受体，以此来调控AX和BX₂组分之间的反应速率。

第二，借助溶液涂覆方式制备的大面积钙钛矿太阳能模块（PSMs），因钙钛矿层不均匀，致使产率较低，尤其是在米级规格的制备过程中。尽管真空蒸发、两步涂覆等替代技术正处于探索阶段，但这些技术依然面临产率低下的问题。真空蒸发法规避了有机溶剂的使用，对制备均匀且稳定的钙钛矿薄膜具有一定优势，然而，由于该方法缺乏中间相转变以及奥斯特瓦尔德熟化过程，进而导致所生成的晶粒较小，晶体质量欠佳。两步法通过先涂覆PbX₂模板，随后沉积AX阳离子层，将薄膜形成阶段与反应阶段予以分离，这一举措显著提升了薄膜的均匀性，不过，该方法也面临着反应不完全以及双层沉积工艺复杂度提升等问题。这些技术仍有待进一步深入发展与完善。

第三，钙钛矿太阳能电池（PSM）难以通过国际太阳能光伏标准（ISOS）的检验，无法满足商业稳定性要求。周欢萍教授团队指出需要进一步探索并优化稳定的功能层以及封装技术。首要的是，研发更为稳定的钙钛矿组件与功能层至关重要。以制备高质量的FAPbI₃薄膜为例，其能够缓解高温环境下的挥发性问题以及光照条件下的相分离问题。在倒置器件中，屏障层BCP已被稳定性更高的SnO₂层所替代。其次，封装技术可有效保护器件免受水和氧气的侵蚀。举例来说，玻璃 - 玻璃封装搭配弹性密封剂以及边缘密封技术，显著提升了封装后钙钛矿器件的稳定性。然而，封装过程通常需在140 - 150°C的高温环境下进行，这对部分功能层的热稳定性构成了严峻挑战。故而，还需进一步深入研究，以优化大面积钙钛矿太阳能模块（PSM）的封装材料与工艺。

综上所述，钙钛矿太阳能电池在商业化推进过程中，核心挑战涵盖大面积薄膜的均匀性、晶体质量的可控性，以及实现器件效率与稳定性的同步提升。周欢萍教授团队通过对溶剂体系、添加剂和界面修饰进行优化，以及研发更为稳定的功能层和封装技术等系列研究，为解决这些关键问题提供了重要的思路与方向，有望有力推动钙钛矿太阳能电池的工业化进程，助力其更快地实现商业化突破。