南京大学谭海仁&天合光能高纪凡Nat. Commun：在空气中可规模化制造钙钛矿/硅叠层太阳能电池的溶剂工程

钙钛矿/硅叠层太阳能电池在实现高功率转换效率和低成本方面具有巨大潜力。然而，在没有惰性气氛保护的情况下，在空气中实现宽带隙钙钛矿(约1.68 eV)的可规模化制造仍然具有挑战性，因为钙钛矿薄膜容易因湿气引起的降解。南京大学谭海仁&天合光能高纪凡研究团队揭示了湿气干扰的程度受到溶剂特性显著影响。证明了具有低极性和中等挥发速率的正丁醇(nBA)不仅能在规模化制造过程中缓解空气中湿气的有害影响，还能提高钙钛矿薄膜的均匀性。这一方法实现了钝面纹理钙钛矿/硅叠层电池29.4%的高效率(认证值为28.7%)，其中大尺寸金字塔结构(2–3 μm)和在16 cm²光孔面积上达到26.3%的效率。这一进展为钙钛矿/硅叠层太阳能电池的大规模生产提供了一条途径，标志着其商业可行性迈出了重要一步。

图文介绍

不同醇类作为溶剂的区别

钙钛矿薄膜通过基于以往研究的两步顺序沉积方法制备。如图1a所示，研究团队的工艺结合了共蒸发和刮涂技术，以满足大面积钙钛矿薄膜制造的要求。值得注意的是，第二步在空气中进行，以符合实际生产环境。然而，乙醇和异丙醇作为第二步中有机盐的溶剂，在自然环境中面临两大挑战：首先，这些溶剂容易吸收环境中的湿气;其次，溶液的快速蒸发速率会影响薄膜的均匀性。因此，这些挑战常常导致钙钛矿薄膜不均匀且质量差，进而对器件的功率转换效率(PCE)和稳定性产生不利影响。

为解决这个问题，研究团队对包括乙醇(EA)、异丙醇(IPA)、正丁醇(nBA)和正戊醇(nPA)在内的各种饱和蒸气压和极性不同的醇类进行了分析和研究。

为了研究湿气对这些不同醇类溶液在空气中的影响，将每种溶液的定量暴露在空气中并观察变化。

不同醇类制备的钙钛矿薄膜的表征

使用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对钙钛矿薄膜的形态和结构进行了比较。

进行稳态光致发光(PL)和时间分辨光致发光(TRPL)测试，结果表明 nBA在减少钙钛矿体内非辐射复合方面的优越性能。

PL映射测试以研究薄膜的均匀性。

总体而言，nBA薄膜表现出较少的非辐射复合和优越的均匀性，适合钙钛矿薄膜的规模化制备。

太阳能电池的光伏性能和光稳定性

该实验制备了结构为玻璃/ITO/NiO/SAM/1.68 eV-钙钛矿/C60/SnOx/Cu的单结钙钛矿太阳能电池。图3a展示了示意结构。为了进一步比较，研究团队在两种不同条件下构建了器件：N2环境和环境空气。

串联器件的示意图如图4a所示。从图4b可以清楚地看到，具有2–3 µm金字塔尺寸的纹理表面被均匀涂覆的钙钛矿膜以及其他功能层所覆盖。相应的器件性能如图4c和d所示;活性面积为1.044 cm²的串联太阳能电池在反向扫描下实现了29.4%的最佳PCE(VOC = 1.83 V，JSC = 20.45 mA cm⁻²，FF = 78.63%)，并观察到稳定的PCE为28.8%。此外，从Fraunhofer ISE进行的独立认证效率为28.7%。