厦大《AFM》：首次提出一种高质量钙钛矿薄大规模制备的方法！

编辑推荐：本文介绍了利用冠醚与金属离子的新型相互作用，在α相FACsPbI3的晶化过程中，利用冠醚与金属离子的相互作用，实现了高质量钙钛矿薄膜的大规模制备。这种由冠醚辅助的简易放大策略显示出高效和高度稳定大面积PSC模块应用的巨大前景。

混合金属卤化物钙钛矿由于其溶液工艺兼容性、可调带隙、良好的载流子迁移率和高消光系数，被期望作为生产下一代低成本高性能光伏器件的新材料。基于FACs的钙钛矿型太阳能电池因其显著的光稳定性和热稳定性而受到广泛关注。然而，在目前的情况下，湿度不稳定性和可扩展性制造困难仍然是阻碍其光伏应用的主要障碍。

近日，厦门大学尹君，吴炳辉和李晶等人提出了一种新颖的冠醚剪裁策略，以实现稳定、高质量的FACs基钙钛矿薄膜的可扩展制备。相关论文以题为“Crown Ether‐Assisted Growth and Scaling Up of FACsPbI3 Films for Efficient and Stable Perovskite Solar Modules”发表在Advanced Functional Materials上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008760

实验中，由于控制了晶体质量和改善了薄膜的表面状态，在1000小时的存储稳定性下，器件的最高效率达到了20.48%。此外，在16和100 cm²的总面积上，研究人员成功地制备了基于普通可伸缩叶片涂层膜的PSC组件，其总面积分别为16.7%和13.84%。这项工作中开发的可扩展制备FACs基钙钛矿薄膜的晶化方法，必将推动高热稳定和湿稳定的钙钛矿模块走向工业化，这也显示出在其他领域的潜在影响，如发光二极管、光电探测器和闪烁体。

为了阐明冠层是如何调控立方氮化硼薄膜生长的，采用原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR)监测钙钛矿前驱体向固体薄膜的演变。如图1a、b所示，在不同的退火持续时间(使用红外灯作为加热源)下收集ATR-FTIR光谱的等高线图，以比较有或没有冠状剪裁的动态变化。

图1 冠层与Cs+和Pb2+金属离子的相互作用。钙钛矿前驱体溶液a)不含和b)含冠层在不同退火时间下的ATR-FTIR光谱等值线图。绿色和蓝色的箭头分别表示二甲基甲酰胺溶剂和钙钛矿薄膜。c) Cs 3d和d) Pb 4f XPS光谱的冠状-FACsPbI3和FACsPbI3薄膜。

为了通过冠层剪裁来获得对FACsPbI3膜的表面状态的洞察，引入了扫描开尔文探针显微镜(SKPM)测试，来检查具有或不具有冠层剪裁的钙钛矿膜的表面形态和表面状态的变化。如图2a–d所示，冠状-FACsPbI3薄膜显示出更光滑的表面，与对照FACsPbI3薄膜的39.7纳米相比，均方根粗糙度更低，为26.9纳米，平均表面接触电势(SP)也更高。

图2 冠状-FACsPbI3薄膜的表面状态。由SKPM测量的a)冠状-FACsPbI3和b) FACsPbI3薄膜的形貌图像分别具有c，d)相应的表面接触电势图案。e)在(c)和(d)中标记的行扫描上的速度值。f)冠状-FACsPbI3和FACsPbI3薄膜的水接触角。

图3 冠状-FACsPbI3基太阳电池的光伏性能。a)冠状结构的J–V特征，以及b)冠状-FACsPbI3和基于FACsPbI3基PSCs的30个单元的分布。c)性能最佳的冠状-FACsPbI3和FACsPbI3基PSC的IPCE频谱和相应的集成短电流(Jsc)。d)在储存条件下(25℃，相对湿度30%)冠状-FACsPbI3和FACsPbI3 PSCs的湿度稳定性。

图4 基于冠状-FACsPbI3的PSC模块的大规模制造。a)两片代表性冠状-FACsPbI3薄膜的数字图像(4× 4 cm² (16 cm²)和10 × 10 cm² (100 cm²)面积)。b)基于冠状-FACsPbI3的16和100 cm²面积PSC模块的J–V特性。c) 100 cm²面积PSC模块的照片。d)在储存条件下(25℃，相对湿度30%)，冠状-FACsPbI3和FACsPbI3未封装的PSC模块(16 cm²面积)的PCE演化过程。

总的来说，研究人员通过避免制备过程中的相变，证明了有目的的冠醚剪裁可以有效地操纵基于fac的钙钛矿膜的结晶过程，并且通过与Cs+和Pb2+的强相互作用钝化膜表面以提高膜的防潮性。该研究对于推动高热稳定和湿稳定的钙钛矿模块的工业化历程必将发挥积极的作用。（文：8 Mile）