西电朱卫东副教授、张春福教授，CEJ观点：通过自组装SAM层实现无MA宽带隙钙钛矿薄膜的均匀结晶，制备两端机械叠层电池

第一作者：朱卫东

通讯作者：朱卫东*，张春福*

单位：西安电子科技大学

不含甲基铵（MA）的宽带隙钙钛矿薄膜具有更好的热/光稳定性，因其在晶硅/钙钛矿叠层太阳电池中的广泛应用前景而受到关注。为了调节无MA宽带隙Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3薄膜的结晶动力学，本研究提出了一种自组装单层（SAM）覆盖结晶策略来调控一步溶液法制备Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3薄膜的生长过程，以实现均相结晶。经过Z907 SAM层调控生长后，Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3薄膜的结晶性能增强，平均晶粒尺寸显著增大、界面能级更加匹配。基于此技术成功制备了半透明钙钛矿太阳能电池（PSC），表现出21.63%@0.09cm2和19.12%@1cm²的能量转换效率（PCE）。同时，通过将HJT太阳电池机械压合在半透明PSC上，两端机械叠层电池实现了32.07%@0.09cm²和28.32%@1cm²的PCE，并展现出优异的环境稳定性和热稳定性。

近日，来自西安电子科技大学的朱卫东、张春福教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Homogeneous crystallization of MA-free, wide-bandgap perovskite films via self-assembled monolayer capping for laminated silicon/perovskite tandem solar cells”的文章。该文章采用Z907作为SAM层锚定结晶的策略为无MA宽带隙钙钛矿太阳电池及串联电池的发展提供了新的思路，并为其产业化应用奠定了基础。

通过基于反溶剂的一步旋涂法制备Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3薄膜，将80 μL 1.4 M前驱体以1000 rpm/5 s、4000 rpm/40 s的速度旋涂到ITO/SnO2基底上，在总旋涂时间的第12秒，滴加200 μL的IPA、0.1、0.2或0.3 mg/mL Z907的溶液作为反溶剂来萃取DMF和NMP混合溶剂。进一步在DMSO溶剂氛围中、100℃下进行退火10 min，得到结晶性能良好的Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3薄膜。Z907中存在两个壬基链，这种骨架结构的长碳链具有较高的疏水性，有望增强钙钛矿薄膜的耐湿性和耐热性，进而提高器件的稳定性。

同时，Z907具有两个-SCN和两个-COOH官能团，这些基团决定了其的路易斯碱特性。这些空位可以与路易斯碱性基团之间的共价键作用，形成路易斯碱加合物，有效降低空位缺陷密度，显著延缓钙钛矿的结晶速度，从而使得薄膜晶粒尺寸增大，载流子分离和传输特性得到改善。从图1的SEM图可以看出，所有薄膜样品均是由紧密排列的晶粒完整均匀覆盖，且不存在孔洞或针孔。引入Z907 SAM后，钙钛矿薄膜的均匀结晶得到促进，PbI2杂质完全消失，表面形貌更加均匀平整。同时，随着其浓度增大，薄膜的晶粒尺寸逐渐增大，其中，0.2 mg/mL的浓度制备的薄膜晶粒尺寸可达3 μm以上。Z907 SAM对Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3薄膜结晶行为的改善可归因于前驱体中的正离子空位与Z907的-SCN和-COOH官能团相互作用形成路易斯碱性加合物，显著延缓了晶粒的成核过程。

基于Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3组分制备的半透明器件结构为ITO/SnO2/ Cs_0.22FA_0.78Pb（Br_0.15I_0.85）3/Spiro-OMeTAD/MoOx/IZO/Ag栅线，如图2所示。本文对标准条件和不同浓度Z907溶液制备的最佳性能的半透明PSCs进行了J-V测试，确定了Z907 SAM引入对器件光伏性能产生的影响，当Z907浓度上升至0.2 mg/mL时，器件的PCE呈上升趋势，器件各性能参数（包括Jsc、Voc、FF等）均有所提升，这主要归因于Z907引入的-SCN和-COOH基团与钙钛矿中未配位的Pb²⁺和Cs⁺相互作用，有效降低陷阱缺陷密度，显著延缓钙钛矿的结晶速度，提高载流子分离和传输特性。实验结果清楚地表示，Z907 SAM的引入显著提升了半透明器件的光电转换能力。

采用半透明PSCs作为顶电池，HJT电池作为底电池制备两端机械叠层太阳电池， 图3为其结构示意图。半透明PSCs采用具有Z907 SAM优化的器件，其PCE高达21.46%，晶硅电池采用HJT电池，主要表现为较高的Voc和FF，促使了钙钛矿/HJT两端机械叠层太阳电池光电转化性能的提升。采用双面金属化的HJT太阳电池，利用直接机械压合的方式将半透明PSC和HJT电池压在一起制成两端机械叠层电池，其最优PCE为32.07%，对应的Jsc 为21.08 mA/cm²，Voc为 1.833 V，FF 为 0.83。同时，具有SAM的机械叠层电池表现 出较小的迟滞效应，在RS和FS下的测试的PCE分别为31.95%和29.94%。此外，进一步探索了有效面积为1 cm²的半透明PSCs的制备。为了降低半透明电池的方阻和串联电阻，将小面积PSCs所使用的80 nm IZO厚度提高至200 nm，其余实验工艺与之前保持一致。然而，IZO厚度的提升会导致PSCs子电池透光率下降，使得器件光谱吸收率和电荷收集率降低。标准器件的最优PCE为17.42%，引入Z907 SAM的电池最优PCE为19.12%，这表明SAM技术同样对大面积PSCs的光电性能提升有促进作用。

朱卫东副教授：西安电子科技大学华山菁英副教授，曾入选博士后创新人才计划、小米青年学者等；近五年以第一作者和/或通讯作者在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Lett. 等国际著名期刊发表论文45余篇， H因子为28；申请发明专利20余项，授权6项；编著中/英文专著各1部。主持国家自然科学基金面上/青年项目、国家重点研发计划子课题任务、173领域基金、装备预研基金等国家/省部级项目12余项；荣获陕西省科技工作者创新创业大赛一等奖、陕西省电子学会自然科学二等奖、芯缘创新奖等多项奖励。