近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的高速发展为其商业化应用提供了坚实的理论和实验基础。然而，其大规模商业化发展仍面临两大瓶颈：一是柔性条件下晶界易开裂导致机械稳定性差，二是空气中制备时界面缺陷多、结晶质量差。武汉大学台启东教授分别从柔性器件的机械稳定性提升和空气中规模化制备的界面优化两方面取得了突破性进展，并实现了高效稳定F-PSCs及其模组的制备，分别发表在了Nature Communications与Energy & Environmental Science期刊上。
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研究内容一：双面自发封装策略实现高效稳定柔性电池
研究团队通过将4-甲氧基苄胺氢溴酸盐（MeOBABr）添加到钙钛矿前体溶液中，使其在钙钛矿薄膜的顶部和底部表面自发形成覆盖层。这种独特的双面钝化结构不仅减少了界面残余应变，还有效钝化缺陷并促进界面电荷传输。基于NiOₓ/PTAA空穴传输双层的倒置柔性器件实现了23.7%的转换效率（认证效率22.9%），并在室内光照下达到创纪录的42.46%效率。该器件还表现出卓越的操作和机械稳定性，在800小时最大功率点跟踪后仍保持95%的初始效率，在3mm小曲率半径下经历10000次弯曲后仍保持80%以上效率。文章以“Spontaneous bifacial capping of perovskite film for efficient and mechanically stable flexible solar cell”为题发表在Nature Communications期刊上。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55652-6
研究内容二：空气环境中制备均匀界面接触的高效电池模组
空气中的水分会加速不良DMSO加合物的形成，恶化钙钛矿薄膜结晶度，导致金属氧化物/钙钛矿（MO/PVK）界面接触不良。团队通过引入甲酰肼（FMH）、乙酰肼（ATH）和碳酰肼（CBH）三种酰肼类添加剂，成功竞争性地与钙钛矿前体配位，抑制了DMSO加合物的形成，同时在MO/PVK界面处通过路易斯酸碱相互作用和氢键实现双重缺陷钝化，最终实现了空气中高质量钙钛矿薄膜的制备。在基于SnO₂的正式器件和基于NiOₓ的反式器件中，性能最优的PSCs分别实现了25.07%和24.75%的转换效率，较参考器件提升约15%。这种均质化的MO/PVK接触无需额外界面处理，有利于规模化制造，如在4.6 cm × 4.6 cm微型组件中，正式和反式结构分别实现了22.65%和21.73%的效率。文章以“A universal strategy toward homogenized metal oxide/perovskite contact for efficient solar cells and modules fabricated in ambient air”为题发表在Energy & Environmental Science期刊上。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE04601G
技术亮点及解析
研究内容一：柔性钙钛矿电池的双面自钝化
➤ 自发形成双面覆盖层：通过在前驱体溶液中添加4-甲氧基苄胺氢溴酸盐（MeOBABr），在钙钛矿薄膜的顶部和底部自发形成有机钝化层，无需额外步骤。
➤晶界平整化增强机械性能：MeOBABr层有效平坦化晶界沟槽，显著释放弯曲时的机械应力，器件在3mm弯曲半径下经历10000次弯曲后仍保持80%以上效率，适用于多次弯曲的应用场景。
➤ 高效室内性能：器件在AM 1.5G光照下效率达23.7%，在1000 lux室内光下更是高达42.46%，为钙钛矿电池在物联网设备的室内应用开辟了道路。
该图展示了MeOBABr的分子结构和静电势分析，显示负电荷主要分布在溴化物侧，表明其与Pb²⁺离子有强离子相互作用。SEM图像清晰显示，添加MeOBABr后薄膜晶粒尺寸从200nm增大到300nm，分布更加均匀。XRD图谱表明添加剂没有改变钙钛矿晶体结构，但提高了结晶度。XPS光谱显示Pb和I的结合能发生负移，证明MeOBABr未进入晶格，而是聚集在晶界和表面与钙钛矿之间发生电子相互作用，有效钝化了缺陷。
该图通过SEM图像对比了经过10000次弯曲循环后薄膜的表面形态。未改性的对照组薄膜在凸凹弯曲后出现数百纳米宽的裂纹，而改性后的目标薄膜仅出现轻微裂纹，低倍率SEM下甚至不可见。示意图直观展示了两种薄膜在弯曲条件下的不同表现，改性薄膜的晶界沟槽平坦化有效分散了应力。
纳米压痕测试显示改性薄膜具有更小的硬度和有效弹性模量。PFQNM-AFM测量进一步证实了目标薄膜的杨氏模量显著降低。有限元分析模拟了弯曲状态下两种薄膜的应力分布，结果显示对照组薄膜的最大应力位于晶界处，而改性薄膜的应力分布更加均匀，最大应力值显著降低，与实验观察结果一致。
该图展示了F-PSCs的结构和性能。最佳性能器件实现了23.72%的效率，Voc达1.17V，FF为0.846。最大功率点跟踪显示未封装的改性器件在800小时后仍保持95%以上效率，而对照组损失超过50%。弯曲测试表明改性器件在不同曲率半径下都表现出更好的稳定性，特别是在小曲率条件下优势明显。
研究内容二：空气中制备PSCs模组
➤ 抑制DMSO加合物形成：酰肼分子通过与钙钛矿前驱体竞争配位，有效抑制了空气中水分诱导的DMSO加合物生成，从而减少界面空洞和缺陷。
➤双重界面钝化作用：酰肼分子在金属氧化物（MO）与钙钛矿（PVK）界面处富集，通过Lewis酸碱作用和氢键实现双面钝化，显著降低界面复合损失。
➤ 空气环境下宽湿度范围加工：该策略表现出卓越的湿度耐受性，即使在90%相对湿度条件下，CBH器件仍能保持22.63%的平均效率，大大拓宽了空气中制备PSCs的工艺窗口。
➤ 兼容多种器件结构及大面积制备：在正式（25.07%）和反式（24.75%）结构中均适用，表现出良好的普适性；与刮涂工艺兼容，模块效率突破22.65%，具备产业化应用前景。
该图通过示意图和SEM图像展示了酰肼添加剂在空气中制备钙钛矿薄膜的过程及效果。SEM图像清晰显示，参考薄膜在MO/PVK界面存在明显空隙和底部晶界针孔，而随着FMH、ATH到CBH的添加，这些缺陷逐渐减少直至完全消除。GIWAXS图谱进一步证实，酰肼添加剂有效抑制了湿度诱导的DMSO加合物形成，特别是CBH薄膜中完全消除了3.9和5.5 nm⁻¹处的衍射环，表明实现了均匀化的MO/PVK接触。
该图通过FTIR、XRD、XPS和ToF-SIMS等多种表征手段深入揭示了酰肼添加剂的作用机制。FTIR光谱显示酰肼分子的C=O与Pb²⁺的配位比DMSO的S=O更强，有效竞争性抑制了DMSO加合物形成。XRD谱图表明酰肼添加剂显著减少了δ-FAPbI₃相和DMSO加合物的特征峰。XPS证实了酰肼与Pb²⁺的持续配位作用，ToF-SIMS和HR-TEM显示CBH分子主要积累在MO/PVK界面和晶界处。DFT计算进一步证明CBH在SnO₂/PVK界面具有比DMSO更强的结合能。
该图通过示意图清晰阐明了酰肼分子的多功能角色，包括竞争性配位、DMSO去除、结晶促进和双重钝化等作用。KPFM图像显示酰肼改性薄膜具有更高的平均接触电位差，表明功函数降低。能带结构图证实了钙钛矿CBM与SnO₂更加匹配，有利于电子传输。TA和TRPL光谱表明酰肼改性薄膜具有更长的载流子寿命和更快的提取时间，证实了界面复合的抑制和电荷提取的增强。
该图展示了n-i-p结构器件的光伏性能和稳定性。J-V曲线显示CBH器件获得了25.07%的最高效率，较参考器件提高了16%。EQE谱图显示集成电流与J-V测试结果一致。效率分布图证明CBH策略显著提高了器件的重复性和稳定性。MPPT测试表明封装后的CBH器件在636小时后仍保持98.2%的初始效率，表现出卓越的操作稳定性。微组件获得了22.65%的效率，证明了该策略的规模化应用潜力。
该图证明了酰肼策略在NiOₓ基倒置结构中的普适性。SEM图像显示CBH添加剂同样消除了NiOₓ/PVK界面的空隙和针孔，实现了均匀化的界面接触。J-V曲线表明倒置CBH器件获得了24.75%的效率，较参考器件提高了15.6%，证明了该策略在不同器件结构中的通用性。微组件获得了21.73%的效率，证明了该策略在不同器件结构中的规模化应用潜力。
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