论文概览
当前钙钛矿薄膜制备的两大主流技术—溶液沉积和真空沉积—各自存在明显局限性：溶液法虽然加工速度快但会留下针孔缺陷，而真空沉积虽然精确但加工效率低下。
针对这一问题，上海交通大学赵一新教授团队提出了一种“溶液沉积3D钙钛矿+真空蒸发2D钝化层” 的混合工艺， 首先通过溶液法(如狭缝涂布)高效制备三维(3D)钙钛矿本体薄膜，随后采用全真空蒸发技术精准沉积纳米级二维(2D)钙钛矿盖帽层。该技术方案具有以下显著优势：一方面，溶液沉积工艺可确保制备效率(500-600 nm厚的3D薄膜可在1分钟内完成涂布);另一方面，真空蒸发技术能够精确调控2D层的化学组成与计量比，不仅有效钝化薄膜缺陷，更能修复原始薄膜中的针孔结构。该方法成功实现了30 cm × 30 cm大面积无针孔钙钛矿子模组的高效制备，认证效率高达21.79%!这项技术为钙钛矿光伏的规模化应用提供了全新解决方案。
技术亮点
1. “两步走”混合工艺—精确可控的2D覆盖层沉积：
(1)溶液法快速制备3D钙钛矿基底：通过狭缝涂布(<1分钟)形成500-600 nm厚的FAPbI3薄膜。
(2)真空法精准沉积2D钝化层：在3D薄膜上依次蒸发PbI2和n-己基溴化铵(HABr)，形成10-20 nm厚的2D钙钛矿，精准调控化学组成和厚度，实现缺陷钝化和针孔修复。
2. 技术优势
(1)高效：溶液法保证大面积制备速度，真空法提升表面质量。
(2)精准：2D层均匀覆盖针孔，钝化缺陷，优化载流子传输。
3. 高效稳定的器件性能
(1)基于该技术制备的FAPbI3钙钛矿太阳能电池效率高达25.70%，30cm×30cm大面积子模块认证效率达21.79%，展示了优异的工艺可扩展性。
研究意义
1. 解决大面积制备难题：传统溶液法制备大面积钙钛矿薄膜时难以避免针孔和缺陷，而全真空沉积又存在处理速率低的问题。这种混合方法兼具高效与精确的优势。
2. 提升稳定性：2D覆盖层不仅提高了效率，还显著增强了器件的环境稳定性。未封装器件在25%相对湿度下存放1000小时后仍保持95.5%的初始效率。
3. 推动产业化进程：30cm×30cm大面积子模块的成功制备证明了该技术的高工艺可扩展性，为钙钛矿光伏的规模化生产奠定了基础。
深度精读
图1：钙钛矿模块的溶液-真空混合制造工艺流程
图1展示了溶液-真空混合法制备钙钛矿太阳能模块的完整工艺流程。首先通过溶液法(如狭缝涂布)在FTO导电玻璃基底上快速沉积电子传输层(ETL)和三维(3D)钙钛矿本体薄膜，这一步骤保证了制备效率;随后采用真空蒸发技术精确沉积二维(2D)钙钛矿钝化层，通过调控PbI₂和HABr的蒸发比例实现纳米级精度的组分控制;最后完成空穴传输层(HTL)和金属电极的制备。
图2：真空沉积2D钙钛矿层的形貌演变过程
图2通过SEM图像展示了真空沉积过程中薄膜形貌的演变：初始溶液法制备的FAPbI₃薄膜存在明显针孔缺陷(图2b);沉积7nm PbI₂层后针孔仍部分可见(图2c);最终经HABr蒸发及退火形成的2D钙钛矿层(HA₂PbI₂Br₂)完全覆盖了表面缺陷(图2d)。HR-TEM证实了2D层的纳米级精确控制，该过程实现了针孔修复与缺陷钝化的双重效果。
图3：2D钙钛矿层的形成与转化机制
该图通过GIWAXS和HR-TEM揭示了不同HABr/PbI2比例下2D钙钛矿的结构演变：当x=2时形成纯相n=1型2D钙钛矿(HA2PbI2Br2)(图3a);x=3时出现n=1与n=2混合相(图3b);x=4时完全转化为n=2相(图3c)。原位GIWAXS(图3e)动态捕捉到x=3样品在退火过程中从n=1向n=2相的结构转变，HR-TEM(图3d)直观展示了不同n值2D钙钛矿的晶体结构差异，证实了通过前驱体比例可精确调控2D层的维度特性。
图4：钙钛矿覆盖薄膜的光电特性表征
图4通过多尺度表征揭示了2D覆盖层的优化机制：PL mapping显示x=3样品的荧光强度分布最均匀(图4a)，表明其缺陷钝化效果最佳;KPFM测试证实2D层使表面电势降低超250mV(图4b)，显著提升了空穴提取效率;界面电场分析(图4c)显示2D/3D异质结处形成更强的内建电场，有效抑制载流子复合。光学显微镜直接观察到2D层对微米级针孔的完美修复(图4d)，PL成像进一步验证了针孔区域的非辐射复合被显著抑制(图4e)，证实该技术对薄膜质量的全面提升。
图5：器件性能提升与能带调控机制
图5系统展示了2D覆盖层对器件性能的优化作用：J-V曲线显示x=3器件效率达25.70%，Voc提升至1.165V(图5a);EQEEL测试证实界面非辐射复合显著降低(图5b);c-AFM显示电流分布更均匀(图5d)。UPS深度分析(图5e)揭示2D层诱导的能带弯曲延伸至体相，形成梯度能级结构(图5f)，既促进空穴传输又阻挡电子回流，这种精准的能带工程是性能提升的关键机制。
图6：器件稳定性与模组性能验证
图6证实了2D覆盖层的长效保护作用：在65℃持续光照下，传统器件400小时后效率衰减40%，而2D修饰器件1000小时后仍保持90%初始效率(图6a)。30cm×30cm大面积模组实现22.10%的转换效率(认证值21.79%)，开路电压59.01V，填充因子81.96%(图6b)，其优异的性能重现性验证了溶液-真空混合工艺的规模化制备潜力，为钙钛矿光伏商业化提供了可靠的技术路径。
文献来源
Fan, Y., Qin, Z., Lu, L. et al. An efficient and precise solution-vacuum hybrid batch fabrication of 2D/3D perovskite submodules. Nat Commun 16, 7019 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62392-8
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