在钙钛矿太阳能电池商业化的进程中，实现大面积、高质量钙钛矿薄膜制备始终是一项挑战。近日，《Advanced Materials》发表最新研究，提出通过调控成核过程，在商业纹理硅电池基底上构筑高效率叠层太阳能电池，其效率高达28.28%，为钙钛矿/硅叠层器件的大规模制备开辟了新路径。
研究背景与核心问题
尽管钙钛矿/硅叠层电池（TSCs）已实现小面积**>30%**的效率，然而要实现工业化大面积制备，仍面临两个关键难题：
- 传统旋涂法可扩展性差，不适合大规模连续生产；
- 两步法蒸发+刮涂（slot-die）沉积时，钙钛矿晶粒易在不同凸角上非均匀成核，导致薄膜出现针孔和残余PbI₂，影响器件稳定性与效率。
研究方法：两步法 + 添加剂调控成核屏障
本研究采用**蒸发+槽模刮涂（slot-die）**的两步法，在纹理硅底电池上沉积钙钛矿膜。关键策略是引入一种有机阴离子添加剂——2,5-二氟苯甲酸钠（2,5-NaDPA），调控结晶过程，主要机制包括：
- 降低不同凸角上的成核能垒差异；
- 延迟钙钛矿晶体生长速率；
- 促进有机阳离子与PbI₂充分反应；
- 避免快速反应导致有机物局部消耗殆尽，从而抑制针孔生成。
实验验证：从分子机制到器件性能
分子层面分析
- FTIR、XPS、¹H-NMR等表征证实2,5-NaDPA能与PbI₂形成O–Pb配位键；
- 电势图显示其氟和羰基区域具有强负电势，有利于钝化未配位的Pb²⁺缺陷。
成核动力学建模
- 建立了成核能垒ΔG与表面凸角β的关系模型；
- 证实添加剂能均衡不同角度下的成核速率，减少局部反应速率过快问题。
形貌与结晶表征
- SEM/XRD/PL显示：
- 改性后的钙钛矿晶粒更大、更致密；
- 无明显PbI₂残余和孔洞；
- 结晶更均匀，结晶窗口延长；
- 非辐射复合明显减少，载流子寿命显著提升（152.99 ns vs 88.07 ns）。
器件性能与规模化示范
小面积器件（0.09 cm²）：
- PCE高达20.00%（带隙1.68 eV）；
- 开路电压1.18 V，填充因子82.48%，稳定性提升，迟滞减小。
大面积叠层器件（19.9 cm²）：
- 效率高达28.28%，经过独立认证达到27.81%；
- 工作1000小时后，仍保持初始性能的80%以上；
- 表明该方法具有产业化潜力。
创新亮点总结
提出成核能垒调控机制，首次将凸角依赖的非均匀成核纳入钙钛矿生长控制体系；
引入2,5-NaDPA辅助结晶策略，在不牺牲成膜均匀性前提下，实现结晶窗口调控；
将slot-die工艺成功应用于复杂纹理基底，填补了钙钛矿/商业硅电池结合的大面积制备空白；
实现了接近30%效率、稳定性优良的大面积钙钛矿/硅叠层电池。
结语
这项研究不仅从基础科学层面揭示了结晶调控的物理机制，更在工艺实现层面展示了钙钛矿叠层器件的产业化潜力。未来，通过进一步优化slot-die工艺与添加剂体系，有望推动钙钛矿光伏迈入大规模制造新时代。
