目前文献报道的钙钛矿太阳电池器件大部分都是基于多晶钙钛矿薄膜，因为多晶结构制备工艺较为简单，但多晶薄膜存在大量缺陷且结构稳定性较差。相比之下，单晶钙钛矿薄膜无晶界缺陷极少，因此具备更加优异的电荷传输性能和稳定性，但该类薄膜的制备工艺极具挑战性(薄膜成核、形貌和组分难以控制)，因此在制备工艺上实现突破是单晶钙钛矿电池实现商业化应用的关键因素。
由加州大学圣地亚哥分校Sheng Xu教授课题组牵头的国际联合研究团队基于商业化的半导体平板印刷工艺开发出新的制备方法，成功在柔性衬底上制备出了厚度精确可控的大面积(0.25 cm2)柔性单晶钙钛矿薄膜，相应电池器件获得了19%的高效率，且具备了优异的机械柔韧性和长程稳定性，表现出了良好的商业化应用潜力。研究人员基于商业化的平板印刷半导体工艺开发出全新的钙钛矿薄膜制备工艺，即溶液过程的平板印刷辅助外延生长和转移法，利用该新工艺在柔性衬底上制备了钙钛矿薄膜。扫描电镜表征显示，制备的薄膜没有出现晶界，而X射线衍射测试发现薄膜结晶性质量极高，是单一相结构，也即制备的钙钛矿薄膜为单晶结构。进一步的实验发现钙钛矿前驱体组分显著影响薄膜的厚度，通过组分的调谐(即调控铅元素和锡元素的比例，MAPb0.5+XSn0.5−XI3)实现了600 nm到5 μm厚度之间的薄膜厚度精确调控制备。时间相关的光致发光谱表征结果显示，当厚度不超过2 μm时，载流子收集效率和寿命随着厚度增加而改善;而当厚度超过2 μm时，载流子的寿命则出现下降。外量子效率测试结果呈现与上述一样的随厚度增加而先增后减的变化趋势。随后研究人员制备了无Sn掺杂的钙钛矿薄膜MAPbI3和连续Sn梯度掺杂(即形成一种梯度变化的带隙有助于增强光吸收利用率和载流子的传输收集)的薄膜MAPb0.5+XSn0.5−XI3，并组装成完整的光伏器件开展电化学性能测试。在一个模拟的标准太阳光辐照下，基于无Sn掺杂的钙钛矿薄膜电池器件(面积为0.25 cm2)的平均光电转换效率约为16%，而采用连续Sn梯度掺杂MAPb0.5+XSn0.5−XI3薄膜器件电池(面积尺寸同上)效率显著增强，平均光电转换效率达到约19%，而性能最佳器件更是突破20%，达到20.04%。研究人员进一步测试了器件的机械柔韧性，对电池器件进行连续300余次的弯折后再测试其光电性能，结果显示MAPbI3薄膜器件出现了显著性能衰退，而连续Sn梯度掺杂MAPb0.5+XSn0.5−XI3薄膜电池性能基本没有衰退，表现出优异的机械柔韧性。长程稳定性测试结果呈现出与机械性能类似情况，连续Sn梯度掺杂MAPb0.5+XSn0.5−XI3薄膜电池在放置近11个月后，效率仍可维持90%初始效率，而MAPbI3薄膜器件性能基本消退殆尽。
图1 基于新工艺单晶柔性钙钛矿薄膜制备流程
该项研究基于商业化的半导体平板印刷工艺开发出全新的钙钛矿薄膜制备工艺，成功实现了在柔性衬底上制备出高结晶质量的单晶钙钛矿，消除了多晶晶界和缺陷，使得钙钛矿薄膜光吸收和载流子的传输收集性能显著提升，进而提升了电池器件性能和稳定性，且具备优异的机械柔韧性表现出更加广阔的应用前景;再则新制备工艺具备了商业化生产线工艺特性，容易快速转化形成实际生产能力;将钙钛矿太阳电池的商业化应用向前推进了一大步。相关研究成果发表在《Nature》[1]。
[1] Yusheng Lei, Yimu Chen, Ruiqi Zhang, et al. A fabrication processfor flexible single-crystal perovskite devices. Nature, 2020, 583,790–795.
