论文概览
基于钙钛矿的串联的商业化需要环境友好的溶剂用于可规模化制造高效宽带隙，然而，由于铯盐和溴化物盐的低溶解度，为甲脒铅碘基1.50eV带隙钙钛矿开发的绿色溶剂不适合于WBG钙钛矿。南京大学谭海仁团队开发了一种由二甲基亚砜(DMSO)、乙腈(ACN)和乙醇(EtOH)组成的绿色溶剂体系，解决了传统有毒溶剂(如 DMF)在宽带隙钙钛矿制备中的局限。该体系不仅实现了铯和溴盐的高效溶解，还通过调控结晶过程，使 1.78 eV 和1.68 eV 带隙的钙钛矿太阳能电池效率分别达到 19.6% 和21.5%，并成功制备出 20.25 cm² 的全钙钛矿叠层模块，效率达 23.8%，为钙钛矿光伏的规模化生产奠定了基础。该工作题为：“Scalable fabrication of wide-bandgap perovskites using green solvents for tandem solar cells”发表在Nature Energy期刊上。
技术亮点
绿色溶剂创新：替代有毒的 DMF，DMSO/ACN/EtOH 体系兼具环保性与高溶解性，EtOH 的加入可防止前驱体降解，延长加工窗口至 5-11 mm/s，适合大规模刮涂工艺。
效率与稳定性双突破：1 cm²全钙钛矿叠层电池效率 26.3%，钙钛矿 / 硅叠层电池达 27.8%;20.25 cm²模块在空气环境下仍保持 23.1% 的效率，且 600 小时稳定性测试表现优异。
普适性应用：同一绿色溶剂体系可用于窄带隙钙钛矿制备，实现全绿色溶剂化的20.25 cm²叠层模块效率 22.2%，推动产业化进程。
深度解析
图1：EtOH 对前驱体溶液的影响
本研究基于CHEM21标准展示常用溶剂的安全、健康及环境影响，发现ACN与Pb2+的配位能力比DMF/DMSO弱得多，但其高蒸气压(9.9 kPa)有助于调节溶剂挥发，乙醇与I−和Br−的键合能力更强，同时，含有EtOH的溶剂体系的蒸气压比不含EtOH的体系的蒸气压高0.34 kPa。这种蒸汽压的差异有效地调节了溶剂挥发，从而增强了WBG钙钛矿的结晶。通过廷德尔效应评估钙钛矿前驱体溶液的胶体性质，发现前驱体溶液中加入8 vol%(相对于DMSO)EtOH的胶体尺寸最大。由紫外吸收光可见光谱可见EtOH存在下DMSO的络合作用减少，PbI3 −络合物的吸收峰降低。傅里叶变换红外(FTIR)和1H核磁共振(NMR)光谱显示EtOH不会干扰DMSO-PbI2加合物之间的配位，并且能保证其稳定性。
图2：刮涂钙钛矿薄膜的结晶动力学
为了优化刮刀涂布工艺，图2a显示DMSO/ACN/EtOH体系的加工窗口(5-11 mm/s)宽于其他体系，利于规模化制备。不同溶剂系统的膜厚变化主要归因于钙钛矿前体的表面张力。EtOH的引入导致溶液和基材之间的接触角从33.2°减小到29.0°，表明加入乙醇后胶体的性质影响结晶动力学。并且XRD 图谱及半峰宽(FWHM)分析表明，EtOH的加入使湿膜结晶初期形成更小晶粒。显微镜照片及 SEM 图像显示，绿色溶剂体系制备的薄膜无空洞、界面平整，结晶更均匀。结果表明向DMSO/CAN的钙钛矿溶液中加入EtOH降低了PbI 3−络合物的浓度，同时增加了DMSO-PbI 2加合物的浓度。在刮刀涂布时，由于PbI 3−的浓度有限，其导致的快速钙钛矿成核作用最小化，而更高浓度的DMSO-PbI 2加合物拓宽了加工窗口。
图3：三种溶剂体系制备的薄膜表征
通过X射线衍射(XRD)测量以评估使用不同溶剂体系制造的钙钛矿的结晶度，发现DMSO/ACN/EtOH体系制备的钙钛矿薄膜在(110)晶向上具有最佳结晶度。使用DMF/DMSO和DMSO/ACN制备的膜相比，使用DMSO/ACN/EtOH制备的膜表现出抑制的缺陷诱导的非辐射复合和改善的膜均匀性，并且TRPL显示薄膜的缺陷态密度更低。PL映射，表明DMSO/ACN/EtOH溶剂系统比其他溶剂系统产生更均匀和更强的辐射发射，表明此方法所得薄膜质量最佳。
图4：太阳能电池光伏性能
PCE 直方图显示，DMSO/ACN/EtOH 体系器件效率更高且分布更窄，1.78 eV 和 1.68 eV 器件平均效率分别达19.6% 和 21.5%，由外量子效率(EQE)计算的JSC与J-V测量结果吻合良好，性能可靠。
图5：全钙钛矿叠层太阳能电池及大面积叠层模块的光伏性能
PCE 直方图显示1 cm²全钙钛矿叠层电池效率达 26.3%，重现性良好。 J-V及 EQE 曲线表明，20.25 cm² 全钙钛矿叠层模块效率达23.8%，子电池匹配性佳。在空气环境中制备的模块效率达 23.1%，全绿色溶剂制备的模块效率达 22.2%，验证了规模化和环境兼容性。
结论展望
本研究首次实现了宽带隙钙钛矿的绿色溶剂规模化制备，其效率与稳定性已接近商业化要求。未来通过进一步优化窄带隙钙钛矿的锡离子氧化问题，有望推动全钙钛矿叠层电池在光伏市场的广泛应用，为清洁能源提供低成本、高环保的解决方案。
文献来源
Duan et al., Scalable fabrication of wide-bandgap perovskites using green solvents for tandem solar cells. Nature Energy (2025).DOI: 10.1038/s41560-024-01672-x
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