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中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心，廣東工業(yè)大學(xué)，電子科技大學(xué)，西安交通大學(xué)，西安電子科技大學(xué)，華南理工大學(xué)和河海大學(xué)使用自擴展方法制備鹵化物鈣鈦礦薄膜，給行業(yè)提供了一種簡單且無需設(shè)備的替代方案。然而，該方法在以往的應(yīng)用中僅限于小面積的圓形薄膜。在本工作中，我們提出了通過使用溶劑和固體添加劑控制鈣鈦礦溶液的擴散和結(jié)晶行為的策略，從而實現(xiàn)了在環(huán)境條件下自擴展制備大面積(高達(dá)100 cm2)鈣鈦礦薄膜。

圖(a)自擴散法薄膜形成過程示意圖。 (b)鈣鈦礦溶液中溶劑(DMF)及溶劑添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 (c)使用不同溶劑添加劑(體積比5%)制備的鈣鈦礦薄膜面積。 (d) 40 °C熱板上液滴早期階段的模擬溫度梯度。 (e)鈣鈦礦溶液滴的擴散機制。 (f)不同溫度下溶液自擴散在基板(2 cm × 2 cm)上制備的鈣鈦礦薄膜照片及對應(yīng)薄膜面積。

這些添加劑對結(jié)晶過程的影響通過原位光吸收光譜得以闡明，結(jié)果顯示反應(yīng)路徑因添加劑組成而異。在空氣中制備了高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，無需使用反溶劑或真空輔助工藝，從而制備出光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)為23.61%的太陽能電池。此外，我們展示了P2和P3線路的無激光制備工藝，實現(xiàn)了97.3%的高幾何填充因子和19.88%的光電轉(zhuǎn)換效率(有效面積：14.1 cm2)—這是采用非激光工藝制備的鈣鈦礦太陽能模塊的最高有效面積PCE。本研究強調(diào)了一種可擴展且具有成本效益的高性能制備鈣鈦礦太陽能電池和模組的途徑。

總之，通過引入各種添加劑，有效地控制了鈣鈦礦溶液的擴展和結(jié)晶行為，從而能夠在常溫條件下通過溶液自擴展工藝制備大面積鈣鈦礦薄膜。加入異丙醇顯著改善了前體溶液的潤濕性，促進(jìn)了大面積均勻、高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的形成。

圖(a)使用不同添加劑制備的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。(b)由反向掃描和正向掃描測得的冠軍電池的J-V曲線。(c)制作P2線的機械劃線方法示意圖。(d)由機械劃線制得的P2線的光學(xué)顯微圖像。(e)由激光劃線制得的P1線和由機械劃線制得的P2線的光學(xué)顯微圖像。(f)鈣鈦礦薄膜上帶有金屬網(wǎng)格的掩膜示意圖。(g)模塊中P1、P2和P3線的光學(xué)顯微圖像。(h)使用非激光處理的P2和P3線模塊的J-V曲線及照片。(i)使用非激光處理(P2和/或P3線)制備的鈣鈦礦太陽能模塊的幾何填充因子(GFF)和PCE(孔徑面積PCE)對比。(消息來源：Energy & Environmental Science)

與此同時，MACl和OACl等添加劑提升了薄膜的結(jié)晶性和形貌，同時降低了缺陷密度。通過原位光吸收測量研究了不同添加劑組合下鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學(xué)。對于僅含有PACl、PenACl或OACl的溶液，干燥薄膜中主要形成二維鈣鈦礦相，隨后在熱退火過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧摩?FAPbI?相。相反，當(dāng)同時存在MACl和OACl(或PACl和PenACl)時，MAPbI?會首先形成，然后通過包含MA?和FA?離子的陽離子交換過程轉(zhuǎn)化為α-FAPbI?。OACl的緩慢揮發(fā)有助于調(diào)節(jié)反應(yīng)動力學(xué)，從而促進(jìn)高質(zhì)量FAPbI?薄膜的生長。

采用這一策略，我們在室溫空氣中制備的小面積太陽能電池獲得了23.61%的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)，無需使用抗溶劑或輔助真空淬火技術(shù)。此外，通過優(yōu)化溶液滴加方法，我們成功制備了均勻的大面積鈣鈦礦薄膜。采用無激光P2/P3線制備工藝，我們進(jìn)一步展示了鈣鈦礦太陽能組件，其幾何填充因子高達(dá)97.3%，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到19.88%(開口面積：14.1 cm2)，這是非激光處理P2/P3線鈣鈦礦組件的最高開口面積PCE。這一簡便的制備工藝有望加速鈣鈦礦組件在工業(yè)制造中的優(yōu)化。

本研究提出了一種簡單、可擴展且具有成本效益的高性能鈣鈦礦太陽能電池及組件制備方法，為其實際應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)鋪平了道路。

關(guān)鍵詞： 太陽能組件 太陽能電池