文章介绍
尽管协调稳定的晶格和易于溶液加工的混合 A 位钙钛矿成为高效稳定钙钛矿光伏的理想材料，但甲脒（FA）和铯（Cs）之间的自发阳离子偏析对器件性能构成了严重威胁。研究表明，组分之间的发散配位能力以及非平衡结晶动力学是界面相分离的根本原因。这种现象会导致晶格失配和非辐射复合，严重损害器件的性能和运行稳定性。
基于此，武汉大学何建华等人开发了一种采用双功能分子设计的双位点添加剂介导结晶策略，该策略可实现薄膜均质化并最大限度地减少界面损失。由此产生的倒置器件表现出令人印象深刻的效率，分别为 26.68%（0.057 cm2 孔径面积，认证：26.51%）和 25.14%（1 cm2 孔径面积），凸显了卓越的可扩展性。至关重要的是，双站点协同调制机制抑制了退化途径，使设备在 1 个太阳下的最大功率点运行超过 1100 小时后仍能保持 >94% 的初始效率。我们的研究结果为溶液化学设计、结晶控制和制造可扩展性提供了变革性的见解，为钙钛矿光伏的商业化建立了稳健而全面的框架。该论文近期以“Dual-Site additive mediated Crystallization Strategy for Homogenized FA-Cs Based Perovskite Solar Cells”为题发表在顶级期刊Energy & Environmental Science上。
图文信息
图1. 用于调节钙钛矿结晶动力学的添加剂配体协同配位。（a）6A1 H和6A1 H与PbI 2的FTIR光谱。（B）6A1 H，FAI，（c）对照和目标钙钛矿前体溶液的DLS光谱。在室温下在玻璃上结晶的对照钙钛矿前体溶液和目标钙钛矿前体溶液的解析GIWAXS光谱，而不进行抗溶剂处理（e）从图1d中提取的在600s处的对照和目标钙钛矿膜的GIWAXS强度分布。（f）在退火过程期间经反溶剂处理的对照和目标钙钛矿膜的时间分辨GIWAXS光谱。从图1f中提取的在退火期间不同时间的α相和α相钙钛矿。（h）具有和不具有6A1H的钙钛矿形成的自由能曲线。ΔE是相变的势垒能的差。
图2. 用于均质化FA-Cs基钙钛矿的双位点添加剂介导的结晶策略。（a）通过0-180°方位角环积分获得的在不同掠入射角下的控制和目标钙钛矿（100）晶面的归一化强度分布。红色和绿色阴影表示富FA相和富Cs相，（B）对照和目标钙钛矿膜表面的Pb 4f XPS光谱。（c）从XPS测量获得的Cs 3d和Pb 4f的XPS峰面积分布和相应的Cs和Pb之间的提取原子百分比。（d）D-钙钛矿薄膜的（100）晶面的间距值，取决于掠入射角（αi）。（e）对照和目标钙钛矿薄膜的横截面SEM图像（比例尺为1 μm）。（f）通过双位点添加剂介导的结晶策略的钙钛矿结晶过程的示意图。
图3. 均匀膜通过抑制非辐射复合来增强光电性能（a）控制和目标钙钛矿膜的稳态PL光谱。（B）控制和目标钙钛矿膜的2D PL映射光谱波长分布。（c）与ETL接触的控制和目标钙钛矿膜的TRPL光谱。（d）4PADCB/钙钛矿/C60堆叠的钙钛矿薄膜的PLQY值和相应的VOC非辐射复合损耗。（e）纯电子器件的J-V特性。
图4. 器件性能。（a）性能最佳的控制器件和目标器件的J-V曲线。（B）性能最佳的控制器件和目标器件的EQE光谱。（c）在MPP下测量的控制器件和目标器件的稳定PCE输出。（d）不同偏压下控制器件和目标器件的EQEEL。（e）控制器件和目标器件的VOC光强度依赖性。（f）控制器件和目标器件的FF损耗详细分析。（g）控制器件和目标器件的C-V测量的Mott-Schottky曲线。（h）控制器件和目标器件的TPC曲线。给出了拟合的寿命。（i）具有1cm 2有源面积的最佳性能控制器件和目标器件的J-V曲线。插图，设备的照片。
图5. 协同效应增强设备操作稳定性。（a）FAI + MAI的1H NMR谱（溶出8小时后检测），FAI + MAI老化（在60℃下加热18小时）。#是DMSO的溶剂峰。（B）通过老化溶液制备的性能最佳的对照和目标器件的J-V曲线。（c）时间-当αi = 0.2°时，在空气环境（50%RH）中在模拟的1-太阳连续照射下，对照和目标钙钛矿膜表面的解析GIWAXS光谱。（d）在N2手套箱中在65°C下在模拟的1-太阳照射下，未封装的对照和目标器件的MPP稳定性跟踪。（e）封装器件的归一化PCE在连续照明（100 mW cm-2）下随时间的演变。
总之，作者发现混合阳离子钙钛矿中普遍存在的相分离是推进钙钛矿太阳能电池技术的关键障碍。在这项工作中，我们提出了一种分子定制的结晶策略，采用双齿配体6A 1H，它协调了碘化铅八面体，A位阳离子和溶剂分子之间的最佳配位。正如原位GIWAXS所证明的那样，这种协同相互作用简化了相变途径，在热力学上有利于直接形成无偏析的α-结晶动力学调节产生垂直排列的晶粒，在整个膜中具有异常的横向和纵向均匀性。这种双位点添加剂介导的结晶策略实现了多功能调节，显著抑制了A-位点阳离子偏析。所得钙钛矿吸收剂在顶部和底部界面处表现出降低的缺陷密度、最小化的残余应变和接触损失。因此，优化的PSC器件实现了更高的开路电压、填充因子和操作稳定性。6A 1H还用作溶液防腐剂，抑制有害的分解途径。最终，这种策略显著地改善了性能和寿命限制，为大面积、高效率的PSC铺平了道路。
器件制备
器件结构：ITO/4PADCB/PVSK/C60/BCP/Ag
1. 洗过的ITO 臭氧20min, 4PADCB 0.5 mg/ml于IPA， 3000rpm 30s，100℃退火10min；
2. 1.67MCs0.05MA0.1FA0.85PbI3，12.5mol%MACl和5mol%过量PbI 2于DMF:DMSO=4:1(v/v)+0.5mg/ml 6A1H，1000rpm 10s+5000rpm 35s 旋涂，最后15s使用150uL CB 反相，120℃退火10min；
3. 将6 mM 3 MTPAI和3 mM EDAI 2的IPA溶液，4500rpm 30s，100℃退火5min；
4. 蒸镀C60（25 nm）和BCP（7 nm），Ag（110 nm）。
文章信息
Q. Sun, T. Miao,C. Wang, Y. Tian, Y. Ding, Z. Su, B. He, M. Fu, Z. Zhang, L. Zhang, Q. Cao, Z. Liu, Z. Ren, W. Chen, X. Gao and J. He, Energy Environ. Sci., 2025, DOI: 10.1039/D5EE02577J.
DOI: 10.1039/D5EE02577J
