论文概览
全钙钛矿叠层光伏组件是提升能量转换效率的重要技术方向，然而，制备高质量、大面积锡铅混合窄带隙钙钛矿薄膜仍是当前面临的关键挑战。上海交通大学、华东理工大学等研究团队合作，通过溶剂工程调控结晶过程，开发出一种制备大面积、致密均匀窄带隙钙钛矿薄膜的新方法。该研究在溶剂体系中引入具有强给体配位能力与高饱和蒸气压的吡啶，利用其强配位能力促进锡基窄带隙钙钛矿在结晶过程中形成更完善的中间相，同时借助高蒸气压实现溶剂的快速挥发，减少膜层底部溶剂残留。结合真空退火工艺，研究团队成功制备出孔径面积为10.4 cm²的全钙钛矿叠层光伏小组件，平均效率达22.0±0.4%，展现出优异的商业化应用潜力。该成果以"Pyridine-assisted solvent engineering for high-quality narrow-bandgap perovskites in efficient tandem modules"为题发表于Nature Communications。
技术亮点
强配位溶剂筛选：选用吡啶（给体数DN=33.1 kcal/mol）替代传统DMSO（DN=29.8 kcal/mol），显著增强与Sn²⁺的配位能力，有效形成稳定中间相。
快速结晶调控：吡啶的高饱和蒸气压（1.50 kPa）结合真空退火，加速溶剂脱除，抑制锡铅组分异步结晶，实现晶体生长动力学与热力学协同调控。
大面积高质量成膜：通过刀涂法制备出15 cm × 10 cm大面积均匀致密窄带隙钙钛矿薄膜，表面粗糙度低至3.7 nm，晶体取向高度一致。
组件集成与稳定性：构建 monolithic 全钙钛矿叠层小组件，冠军效率达22.9%，在连续光照1000小时后仍保持初始效率的87%，具备优异的光稳定性。
研究意义
✅ 突破窄带隙钙钛矿大面积制备瓶颈，为全钙钛矿叠层组件产业化提供关键技术路径。
✅ 提出“强配位+高挥发性”溶剂设计原则，为解决锡铅钙钛矿快速结晶难题提供新思路。
✅ 实现10.4 cm²组件22.0%的平均效率，推动全钙钛矿叠层技术向模块化、实用化迈进。
✅ 通过真空退火与溶剂工程协同，显著提升薄膜质量与器件稳定性，为长效运行奠定基础。
深度解析
图1展示了通过溶剂工程策略制备大面积窄带隙(NBG)钙钛矿薄膜的示意图，该研究采用吡啶作为强配位溶剂来调控锡铅混合钙钛矿的结晶过程。吡啶具有较高的给体数(DN)值和饱和蒸气压，能够与Sn2+离子形成稳定的中间相，同时快速蒸发减少溶剂残留。这种溶剂工程策略结合真空退火工艺，成功实现了大面积(15cm×10cm)、致密均匀的高质量NBG钙钛矿薄膜制备，为全钙钛矿串联太阳能电池模块的制备奠定了基础。
图2对比了DMSO、吡啶和DP三种配位溶剂制备的NBG钙钛矿薄膜的特性。通过DFT计算发现吡啶与SnI2的结合能(46.94 kcal/mol)高于DMSO(45.54 kcal/mol)，能形成更稳定的中间相。SEM图像显示吡啶体系制备的薄膜具有高度织构化的柱状结构且无孔洞，而DMSO体系薄膜底部存在空隙，DP体系则形成小晶粒和非致密堆积结构。XRD谱图证实吡啶体系显著提高了薄膜的结晶度，这些结果表明吡啶是优化NBG钙钛矿薄膜质量的最佳配位溶剂。
图3通过KPFM、C-AFM和PL光谱研究了不同溶剂体系制备的NBG钙钛矿薄膜的光电性能。吡啶体系薄膜显示出更均匀的接触表面电位分布(~20mV)和更低的漏电流(~7.2pA)，表明缺陷密度显著降低。稳态PL光谱显示吡啶体系薄膜的PL强度明显增强，时间分辨PL成像显示更长的载流子寿命和更均匀的分布，这些结果证实吡啶配位溶剂能有效抑制非辐射复合，提高薄膜质量。
图4通过DFT计算、FTIR和XRD深入研究了吡啶与Sn2+离子的配位机制。DFT计算显示吡啶-SnI2复合物的结合能高于DMSO-SnI2。FTIR光谱中吡啶的C-N伸缩振动峰从1068cm-1红移至1064cm-1，并出现1003cm-1的新峰，证实了吡啶环与Sn2+的配位作用。XRD谱图中SnI2·3吡啶复合物的特征峰进一步验证了中间相的形成，这些结果为理解吡啶调控结晶过程的机制提供了直接证据。
图5展示了基于优化NBG钙钛矿薄膜的全钙钛矿串联微型组件的性能。采用吡啶溶剂工程的串联组件在10.4cm2孔径面积下实现了22.0±0.4%的平均效率，最佳组件效率达22.9%(Voc=8.10V，Jsc=37.0mA，FF=79.5%)。EQE谱显示前后子电池的积分电流密度匹配良好(14.8和14.7mA/cm2)。稳定性测试表明封装组件在1000小时光照后仍保持87%的初始效率，这些结果证明了吡啶溶剂工程策略在大面积高效稳定钙钛矿光伏组件制备中的巨大潜力。
结论展望
本研究通过吡啶辅助溶剂工程与真空退火工艺相结合，成功实现大面积、高质量窄带隙钙钛矿薄膜的可控制备，并在此基础上构建了效率达22.9%的全钙钛矿叠层光伏小组件。该工作不仅为解决锡铅钙钛矿快速结晶与组分不均难题提供了有效策略，也为全钙钛矿叠层技术的大面积、高通量制备与商业化推广奠定了工艺基础。未来，随着溶剂体系的进一步优化、组件结构的精密设计以及封装技术的持续改进，全钙钛矿叠层光伏有望在效率、稳定性与成本之间实现最佳平衡，成为新一代光伏技术的重要发展方向。
文献来源
Sun, J., Tian, Q., Yu, C. et al. Pyridine-assisted solvent engineering for high-quality narrow-bandgap perovskites in efficient tandem modules. Nat Commun 16, 8997 (2025).https://doi.org/10.1038/s41467-025-64038-1
