溶剂环境工程实现在宽湿度范围空气中制备高性能钙钛矿太阳能电池

第一作者：张瑶

通讯作者：李红博*、魏静*、刘恒*

单位：北京理工大学

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率、低成本和大规模可加工性，成为下一代光伏技术中最有前途的技术之一。PSCs的进一步发展重点在于开发可扩展的沉积工艺和实现长期稳定的钙钛矿薄膜。在传统的两步法中，用异丙醇（IPA）溶解的有机盐施加到碘化铅薄膜上进而反应生成钙钛矿，但低沸点和高极性的IPA溶剂易于挥发，并且有一定的吸水性，导致钙钛矿的结晶过程对环境湿度非常敏感，难以保证工艺生产的重复性。

基于此，北京理工大学魏静&李红博&河南省科学院材料研究所刘恒揭示了溶剂和湿度对钙钛矿反应和结晶过程的协同作用。众所周知，钙钛矿的结晶过程对水分高度敏感，环境湿度的微小波动会导致薄膜质量的显著变化，从而导致工艺重复性差。该工作设计了溶剂氛围保护工程，在两步法制备钙钛矿薄膜的工艺基础上，引入异丁醇（IBA）溶剂氛围，提供稳定的结晶环境。与传统工艺相比，异丁醇（IBA）稳定的低极性溶剂氛围抑制了钙钛矿中间相中δ-FAPbI₃杂相的生成，有效隔离了环境湿度对反应过程的影响，并将最佳环境湿度的窗口从30-40%扩大到20-80%RH。此外，高沸点的溶剂氛围延缓了结晶过程，提高了薄膜晶体质量，利用该工艺在60% RH的空气中制备的器件达到25.1%的光电转换效率。

文章选用了三种不同碳链长度的异构醇，并探究了三种溶剂的极性和吸水性。从实验结果能够得出，低极性的溶剂往往不容易吸水，这样可以在钙钛矿制备过程中能起到隔绝水的作用。文章通过一系列实验挑选出IBA作为保护溶剂，发现在IBA氛围的保护下，钙钛矿前体湿膜中间相几乎没有明显变化，而对照组湿膜在短时间内降解得到δ相。表明低极性溶剂提供的溶剂氛围可为钙钛矿湿膜提供水氧隔离保护。

要点二：醇溶剂氛围对薄膜结晶过程的作用

文章通过原位GIWAXS与PL光谱表征，在高湿度环境原位检测了钙钛矿薄膜的结晶阶段以及钙钛矿湿膜的稳定性。结果显示，低极性高沸点的溶剂能够提供更稳定的结晶环境氛围。得益于IBA的缓慢挥发和低吸湿性，PVK-IBA薄膜在整个退火过程中保持较高的PL强度。此外，PVK-IBA湿膜在高湿度（60% RH）下PL强度衰减缓慢，没有峰位的偏移，表明其具有优异的耐湿性。这些结果表明，IBA溶剂能给钙钛矿结晶过程提供一个稳定的环境氛围，抑制水诱导的杂相生成，从而提高薄膜的结晶度以及制备工艺的重复性。

要点三：宽湿度氛围制备器件

为了测试IBA氛围下制备的钙钛矿器件的可重复性，文章在超宽湿度范围（20%-90% RH）下制备了薄膜和器件，并进行一系列的表征。总的来说，由于IBA溶剂的低极性高沸点，其在高湿度环境对钙钛矿结晶过程起到保护作用，并且溶剂的缓慢挥发进一步优化了结晶。最终，基于IBA制备的薄膜在不同湿度都呈现出较好的结晶质量，更均匀的晶粒尺寸分布以及更少的缺陷态密度。

在20-90%湿度下制备的器件性能统计显示，IBA-PSC在20-80%湿度下效率均大于21%，在90%湿度下效率仍达20.5%。并且IBA-PSC在60% RH的空气中制备的器件实现25.1%的高效率。并且器件常温存储1000小时后保持90%初始效率。持续光照MPP测试中，IBA-PSC 1000小时后效率保持97%。这些结果证实，基于IBA溶剂氛围的器件具有优异的湿度适应性、更高的光电转换效率和显著提升的工作稳定性。