研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）雖在小面積器件展現(xiàn)突破性進展，但大面積模塊（PSMs）的性能瓶頸仍是商業(yè)化的關鍵障礙，其根本問題在于大面積鈣鈦礦薄膜質(zhì)量控制的困難。

相較于實驗室惰性環(huán)境下的小面積制備，大面積制造面臨復雜的結晶動力學控制與嚴苛的環(huán)境挑戰(zhàn)，導致從電池到模塊的顯著效率損失。主要技術難點包括：

1.            制程控制復雜性：溶液制備涉及前驅(qū)體濃度、溶劑特性及制程參數(shù)的精密協(xié)調(diào)，這些因素的交互作用使致密均勻薄膜形成具挑戰(zhàn)性，限制了大面積制程所需的寬廣操作窗口。

2.            材料穩(wěn)定性矛盾：雖然以甲脒（FA）或銫（Cs）替代揮發(fā)性甲胺（MA）可提升熱穩(wěn)定性，但無MA的FACs鈣鈦礦易產(chǎn)生不良中間相且結晶行為難控；而過量Cs則會導致晶粒細化與結晶度下降。此外，FA+離子的大尺寸容易在薄膜中產(chǎn)生有害殘留應變。

3.            環(huán)境敏感性：空氣中的濕氣和氧氣對鹵化鉛鈣鈦礦具高反應性，可能引發(fā)破壞性相變和結構崩解，嚴重影響器件穩(wěn)定性。

4.            研究策略局限：現(xiàn)有組分調(diào)控、添加劑工程等方法多專注單一面向，缺乏同時解決結晶控制與環(huán)境穩(wěn)定性的整合策略，使得制備高質(zhì)量大面積FACs鈣鈦礦薄膜仍是重大技術挑戰(zhàn)。

研究團隊

這篇研究由華中科技大學陳煒團隊發(fā)表于學術期刊《Advanced Energy Materials》。研究團隊提出引入雙功能添加劑——巰基乙酰胺（mercaptoacetamide, MAA）的創(chuàng)新策略，旨在同時解決大規(guī)模制造中鈣鈦礦薄膜質(zhì)量控制與環(huán)境穩(wěn)定性的雙重挑戰(zhàn)。

MAA添加劑的核心作用機制包括：

• 結晶動力學調(diào)控：延遲結晶速率，拓寬制程窗口，促進大晶粒形成并改善晶體取向

• 缺陷鈍化與質(zhì)量提升：有效鈍化空位缺陷，提高薄膜均勻性與結晶度

• 環(huán)境保護功能：憑借強還原性，保護鈣鈦礦薄膜在空氣環(huán)境下免受水解和氧化損傷

透過MAA與鈣鈦礦組分的多重交互作用，該策略成功實現(xiàn)了結晶控制與環(huán)境穩(wěn)定性的協(xié)同優(yōu)化，為大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備提供了有效解決方案。

實驗方法與研究流程

Fig.6a

研究以雙功能添加劑巰基乙酰胺（MAA）為核心，建立了從小面積器件到大面積模塊的完整技術路線，并結合理論計算深入解析作用機制。

1.            關鍵材料體系：采用FACs鈣鈦礦系統(tǒng)（FAI、PbI?、CsBr），搭配C60電子傳輸層、poly-4pacz自組裝單分子層，以及創(chuàng)新引入的MAA雙功能添加劑。

2.            制程技術路線：

l   基板處理與功能層制備：FTO基板經(jīng)標準清洗后，依序沉積NiOx電洞傳輸層和SAM界面層

l   鈣鈦礦層制備：將不同濃度MAA引入前驅(qū)物溶液，采用刀片涂布法沉積，經(jīng)真空處理和熱退火形成高質(zhì)量薄膜

l   器件完整化：依序制備PEAI鈍化層、C??/BCP電子傳輸層及Cu電極。除金屬電極外，所有制程均在空氣環(huán)境下完成

3.            規(guī)模化驗證：成功將制程擴展至5×5 cm和14×14 cm大面積基板，透過雷射劃線技術實現(xiàn)子電池串聯(lián)互聯(lián)，模塊幾何填充因子達96%。

4.            理論與性能驗證：結合密度泛函理論（DFT）計算闡明MAA缺陷抑制機制，并進行光熱和濕熱條件下的長期穩(wěn)定性測試，全面驗證添加劑效果。

表征方法與成果

準費米能階分裂 (QFLS)

準費米能階分裂（QFLS）是衡量材料開路電壓潛力的關鍵指針，同時能揭示非輻射復合損失的來源。本研究透過光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測量來定量評估 MAA 對缺陷鈍化效果。

結果顯示，經(jīng) MAA 處理的鈣鈦礦薄膜，其 PLQY 值高達 0.94%，遠高于對照組的 0.25%。這表示薄膜內(nèi)的非輻射復合顯著減少，預示著器件性能，尤其是開路電壓（VOC）的提升。根據(jù) PLQY 值計算，ΔQFLS 增加了 34.04 meV，這與完整器件 VOC 的增加幅度相符。

Figure 4g. PLQY values of the perovskite films without or with MAA deposited on glass substrates.

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J-V 曲線測量 (電流-電壓曲線)

J-V 曲線用于直接測量太陽能電池及模塊的光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE)、短路電流密度 (Jsc)、開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF)。

結果：

? 小面積器件： 經(jīng)優(yōu)化 MAA 處理的小面積鈣鈦礦太陽能電池（有效面積 0.09 cm2），實現(xiàn)了 25.52% PCE，具體參數(shù)為 Jsc 24.76 mA cm?2、Voc 1.203 V 和 FF 85.68%。相比之下，對照組器件的 PCE 為 23.46%，主要因 Voc 和 FF 的顯著下降。此外，MAA 器件的遲滯指數(shù)（H-index）為 0.63%，顯著優(yōu)于對照組的 2.17%

? 中型模塊： 將制程擴展至 11.09 cm2 的模塊，MAA 處理的模塊在反向掃描下實現(xiàn)了 22.87% 的 PCE（穩(wěn)定 PCE 為 22.48%），其 Voc 為 5.952 V、Jsc 4.70 mA cm?2、FF 81.75%，并展現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性。模塊的 H-index 為 1.48%，對照組為 2.61% [S5]。

? 大面積模塊： 在更大面積（113.00 cm2）的模塊上，MAA 處理的器件也實現(xiàn)了 20.18% 的 PCE。

Figure 6b. J–V curves of the champion PSCs for the control and MAA

Figure 6c. I–V curves of champion PSMs without or with MAA modification (aperture area 11.09 cm2, 5 sub-cells)

Figure 6f. I–V curves of champion PSMs with MAA modification (aperture area 113.00 cm2, 14 sub-cells)

在太陽能電池的效率測量中，EnliTech 的 SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器提供了穩(wěn)定且精確的 AM1.5G 光源，其 A+ 光譜等級確保了對新型太陽能電池（如鈣鈦礦/硅疊層電池）的精確表征。

外部量子效率 (EQE) 光譜

EQE 光譜測量用于評估器件在不同波長光照下將入射光子轉(zhuǎn)換為電子（電流）的效率。它能驗證 J-V 測量所得的 Jsc 值，并提供器件在不同光譜范圍內(nèi)的響應特性。

結果顯示，器件的 EQE 光譜積分 Jsc 值為 23.73 mA cm?2，與 J-V 測量結果一致。(Figure S24)

對于太陽能電池的量子效率分析，EnliTech 的 QE-R 量子效率量測系統(tǒng)是全球1,000 多篇 SCI 論文信賴的選擇。它提供 EQE/IQE/IPCE/SR 測試能力，具備 300-2500 nm 的寬波長范圍和高于 99.5% 的重復性。

其他表征

薄膜形態(tài)與晶體結構分析 (SEM, AFM, XRD, GIWAXS) 評估MAA對鈣鈦礦薄膜微觀結構的影響。MAA引入后晶粒尺寸從199 nm增至386 nm，薄膜粗糙度降低，(100)晶向優(yōu)先取向增強，殘余拉伸應變顯著減輕。(Fig. 2a-i)

載流子動力學分析 (PL, TRPL, FLIM) 評估缺陷鈍化效果與電荷傳輸特性。MAA處理后PL強度顯著增強，載流子壽命從366.9 ns延長至867.1 ns，FLIM顯示界面電子提取效率提升。(Fig. 4d-f)

能帶結構與表面電位 (UPS, KPFM) 分析MAA對能級對準的調(diào)控作用。MAA處理使功函數(shù)上移、導帶底相應上移，薄膜呈現(xiàn)更強n型特征，KPFM顯示表面電位分布更加均勻，有利于電荷傳輸。(Fig. 4a-c)

結晶動力學實時監(jiān)測 (原位光學顯微鏡, 原位PL) 追蹤MAA對結晶過程的調(diào)控機制。MAA顯著延遲結晶速率，擴大制程窗口，退火過程中PL強度持續(xù)提升顯示薄膜質(zhì)量改善。(Fig. 3a-h)

理論計算驗證 (DFT) 闡明MAA缺陷抑制的分子機制。計算結果顯示MAA吸附后空位缺陷形成能提高，有效抑制VPb、VI、VFA等缺陷形成。(Fig. 4h)

熱穩(wěn)定性與抗氧化性 (原位變溫XRD, 質(zhì)譜分析) 評估MAA對材料穩(wěn)定性的保護作用。MAA薄膜熱分解溫度從160°C提升至180°C，具備還原I2為I?的能力，有效抑制前驅(qū)體氧化。(Fig. 5a-i)

長期操作穩(wěn)定性 (光熱/濕熱測試) 驗證包器件在實際應用環(huán)境下的耐久性。光熱條件下1120小時后保持94.5%效率，濕熱條件下550小時后保持95.6%效率。(Fig. 6g-h)

結論

研究團隊成功開發(fā)了巰基乙酰胺（MAA）雙功能添加劑策略，系統(tǒng)性解決了大面積鈣鈦礦太陽能模塊制造中的結晶控制與環(huán)境穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。

核心技術突破：

1.            結晶動力學優(yōu)化：MAA延遲結晶速率并擴大制程窗口，晶粒尺寸從199 nm顯著增至386 nm，(100)晶向優(yōu)先取向增強，殘余應變大幅減輕。

2.            高效缺陷鈍化：載流子壽命從366.9 ns延長至867.1 ns，PLQY從0.25%提升至0.94%，DFT計算證實MAA有效抑制空位缺陷形成。

3.            能帶調(diào)控與電荷傳輸：功函數(shù)從-4.85 eV調(diào)整至-4.64 eV，導帶底上移促進n型特征，表面電位分布更加均勻，界面電子提取效率提升。

4.            環(huán)境穩(wěn)定性增強：熱分解溫度從160°C提升至180°C以上，MAA的還原特性有效抑制前驅(qū)體氧化，增強材料本質(zhì)穩(wěn)定性。

5.            器件性能：

• 小面積PSC達成25.52%高效率

• 11.09      cm2迷你模塊實現(xiàn)22.87% PCE（穩(wěn)定效率22.48%）

• 113.00      cm2大面積模塊達到20.18% PCE

長期穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異：光熱條件1120小時后保持94.5%效率，濕熱條件550小時后保持95.6%效率

文獻參考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202502193

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