钙钛矿太阳能组件（PSMs）的运行稳定性低于小尺寸器件，这对推动其实际应用构成了关键挑战。可印刷碳电极具有高稳定性且成本低，是作为全可印刷 PSMs 背部电极时解决稳定性问题的有前景策略。然而，碳电极 PSMs 的光电转换效率（PCE）仍落后于金属电极器件。在此，我们开发了一种基于小分子、低沸点分子的可扩展蒸汽后处理工艺，有效降低非辐射复合并促进电荷提取。我们展示了活性面积约 50 cm² 的全印刷碳电极 PSMs，PCE 达到 20.41%（认证 19.26%）。
C-PSMs的器件结构与制备。a，器件结构示意图。b，C-PSMs的制备工艺。c,d，C-PSM的照片（c）及剖面扫描电子显微镜图像（d）。e，基于P3HT和P3HT@8%CNTs空穴传输层（HTLs）的C-PSMs的电流-电压（I–V）曲线。
金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其有望通过溶液加工技术实现高光电转换效率（PCEs），在学术界和工业界都引起了广泛关注。近期取得了显著进展，小尺寸 PSCs 的效率已超过 27%，而钙钛矿太阳能模块（PSMs，>200 cm²）认证的 PCE 已超过 21%。然而，这些器件通常依赖贵金属电极，这些电极不仅昂贵，还需要高成本的沉积技术（例如真空蒸发）。此外，钙钛矿中的卤素存在可能导致贵金属电极在运行过程中被电离，加速器件的降解。相比金属电极，碳电极具有成本低、稳定性高和疏水性强等优点。其沉积工艺与低成本、可扩展的印刷技术（例如刮涂、丝网印刷和槽模涂布）兼容，使其成为全印刷碳基 PSMs（C-PSMs）的理想选择。
目前，高温 C-PSMs（~58 cm²）已实现超过 18% 的 PCE，而低温器件也已达到超过 17% 的 PCE（~50 cm²）。然而，这些器件的效率尚未认证，仍落后于最先进的金属电极器件。其原因在于，全印刷 C-PSMs 的现有制造工艺与最高效的空穴传输材料不兼容。常用高效空穴传输材料Spiro-OMeTAD或聚（三芳胺）（PTAA），于碳电极或者聚（3-己基噻吩）（P3HT）/碳电极结构层通常表现出较低的空穴提取效率，导致界面处的电荷积累，从而显著加速复合反应和钙钛矿的分解。减少钙钛矿表面缺陷以抑制界面电荷复合，对于提高碳基器件的效率和稳定性至关重要。
钙钛矿薄膜的蒸汽后处理。a,b, 2FP、3FP 和 4FP 分子的化学结构 (a) 及静电势 (b)。c, 蒸汽后处理示意图。d, 4FP 分子吸附在 FAPbI3 (001) 表面的 DFT 计算。
传统的基于溶液的后处理通常会引入可能损害钙钛矿并阻碍大规模生产的溶剂。蒸汽后处理本质上可扩展，并且可以避免溶剂引起的降解。然而，其选择性和长期有效性仍然具有挑战性。为了实现最佳效果，目标分子需要具有较低的沸点，以在处理过程中避免钙钛矿分解，同时能够强烈作用于表面缺陷，但不妨碍界面电荷转移。然而，到目前为止，极少数分子能满足所有这些条件。在此，本文利用具有小尺寸和低沸点的液态氟苯硫醇分子（2-氟苯硫醇（2FP）、3-氟苯硫醇（3FP）和4-氟苯硫醇（4FP））进行蒸汽处理。在这些分子中，–SH基与钙钛矿表面未配位的Pb原子相互作用，实现缺陷钝化，而疏水性的F基提供抗湿性能。所有氟苯硫醇分子都能有效钝化表面缺陷；由于对位结构，4FP表现出最高的结合能和吸附密度，从而实现最有效的缺陷钝化和稳定性提升。因此，基于刮涂法的全印刷C-PSM（模块面积10 cm × 10 cm；有效面积50 cm²）实现了20.41%的光电转换效率（认证值19.26%），这是该尺寸全印刷C-PSM中最高的效率之一。未经封装的C-PSM在65°C、1倍太阳光照射下最大功率点(MPP)运行1,020小时后，光电转换效率几乎没有衰减，并在85°C/85%相对湿度(RH)的潮湿高温测试中2,280小时后仍保持超过84%的初始效率。
光伏性能与运行稳定性。e,f，冠军4FP C-PSMs的I–V曲线(e)和稳态输出(f)。g，报告的C-PSMs的功率转换效率(PCE)与有效面积关系。（消息来源： Nature Photonics）
我们展示了一种可扩展的蒸汽后处理策略，使高度稳定且高效的全印刷C-PSMs成为可能。这些器件中的所有功能层均采用印刷技术沉积，显示出该方法与大规模生产部署的兼容性。这种可扩展策略通过优化分子构型，实现了钙钛矿表面缺陷的有效且均匀钝化。特别是采用4FP的蒸汽处理，使C-PSMs实现了高达20.41%的先进PCE（认证值为19.26%），模块面积为10 cm × 10 cm，有效面积约为50 cm²。这些模块表现出令人印象深刻的稳定性，在约65°C的标准光照下进行1,020小时最大功率点（MPP）跟踪后，PCE几乎没有衰减。此外，在85°C、85%相对湿度条件下进行2,280小时湿热测试后，未封装的C-PSMs仍保持超过84%的初始PCE。这些结果凸显了蒸汽处理PSMs在效率和稳定性上的优越表现及其实际应用潜力，从而为其商业化奠定了基础。
