近年来，钙钛矿基叠层太阳能电池因其高效率和低成本潜力备受关注，但其规模化制备仍面临空气中水分导致薄膜质量下降、溶剂毒性及工艺兼容性等挑战。南京大学谭海仁团队在Nature Energy和Nature Communications上发表的两项研究，分别从空气中绿色溶剂系统开发和宽带隙钙钛矿的溶剂工程两方面取得了突破性进展，为实现高效、稳定、可规模化生产的全钙钛矿叠层和钙钛矿/晶硅叠层电池提供了可行路径。
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研究内容一：绿色溶剂拓宽宽带隙钙钛矿的规模化路径
针对宽带隙钙钛矿规模化制备中依赖有毒溶剂DMF的痛点，该研究提出并系统化验证了一个绿色溶剂体系 DMSO/ACN/EtOH。EtOH 的加入一方面通过与卤素离子的相互作用抑制 PbI₃⁻ 聚集，生成小而均匀的胶体，另一方面防止 FA⁺ 去质子化延长墨水稳定性，从而显著拓宽刀片涂布的加工窗口（更宽的速度-膜厚容差）、得到均匀、致密且缺陷低的薄膜，基于该溶剂体系实现了小面积与 20.25 cm² 模块化器件的高效输出，并可在空气中制备而几乎不损失效率。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01672-x
研究内容二：空气中可规模化制备的钙钛矿/硅叠层
针对宽带隙钙钛矿在空气环境中规模化制备的难题，创新性地提出了n-丁醇（nBA）溶剂工程策略。通过系统比较不同醇类溶剂的极性和挥发特性，研究发现nBA凭借其低极性和适中挥发速率，不仅能有效抵御空气中水分的不利影响，还能显著提升钙钛矿薄膜的均匀性。最终在双面织构化硅衬底上实现了29.4%（认证28.7%）的冠军效率，并在16 cm²孔径面积上达到26.3%的效率，为钙钛矿/硅叠层太阳能电池的商业化铺平了道路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49351-5
技术亮点及解析
研究内容一：用于全钙钛矿和钙硅叠层电池的绿色溶剂系统
➤ 开发DMSO/ACN/EtOH绿色溶剂系统：替代有毒DMF，解决Cs/Br盐溶解度低的问题，同时提升墨水稳定性和成膜质量。
➤ 调控胶体尺寸与结晶动力学：EtOH的加入抑制PbI₃⁻络合物形成，促进DMSO-PbI₂加合物生成，实现小尺寸、均匀分布的胶体，拓宽工艺窗口。
➤ 实现高效宽带隙与全钙钛矿叠层器件：1.78 eV与1.68 eV PSCs效率分别达19.6%与21.5%；全钙钛矿叠层效率26.3%，模组（20.25 cm²）效率23.8%。
➤ 空气中制备与窄带隙兼容性：绿色溶剂系统支持空气中制备WBG PSCs，效率几乎无损失，并初步适用于窄带隙钙钛矿。
本图通过CHEM21溶剂评估体系（a）证实DMSO/ACN的绿色安全性，而DMF被归类为有害溶剂。不同醇类的物理参数（b）表明EtOH受体数高、蒸气压大，可增强卤素结合并加快挥发，促进宽禁带钙钛矿结晶。EtOH的引入显著调控胶体尺寸分布（c），使峰值从无EtOH时的无规分布变为10 nm的均匀高斯分布。UV-Vis光谱（d）显示EtOH抑制PbI₃⁻络合物形成，FTIR谱（e）证明EtOH通过-OH键与钙钛矿组分相互作用。核磁共振数据（h）进一步揭示EtOH与FA⁺的NH基团形成氢键，有效抑制FA⁺去质子化降解，使前驱体溶液稳定性提升至30天（g）。这些结果从分子层面阐释了EtOH调控结晶动力学的作用机制。
图（a）显示DMSO/ACN/EtOH系统在5-11 mm/s范围内均可形成无孔洞薄膜，而对照组存在明显工艺窗口限制。XRD半峰宽数据（b）表明乙醇添加使晶粒尺寸减小，显微镜照片（c-e）证实其形成更均匀的晶核分布，SEM（插图）显示EtOH改性后的薄膜与基底界面接触更紧密，避免了DMSO残留导致的空洞问题。这一系列数据证明EtOH通过调控DMSO-PbI₂加合物浓度，实现了结晶速率与成核密度的平衡。
XRD图（a）谱显示绿色溶剂制备的薄膜具有更高的（110）晶向结晶度。稳态PL光谱（b）中DMSO/ACN/EtOH样品发光强度提升3倍，时间分辨PL（c）显示载流子寿命延长至158 ns，表明缺陷态密度显著降低。PL mapping图像（d-f）进一步证明乙醇改性后的薄膜在6×6 cm²范围内发光均匀性大幅改善，局域电位波动从±15 mV降至±5 mV。这些结果从光电性能角度验证了绿色溶剂系统对薄膜质量的提升效果。
本图展示了1.05 cm² 单体全钙钛矿和钙钛矿-硅叠层器件及 20.25 cm² 模块的 J–V、EQE 与稳定性曲线，并给出在空气下（~40% RH）用同一绿色溶剂制备的模块性能。亮点是刀片涂布、EtOH-含体系可以产出 26.3%（1-cm² all-perovskite）与 27.8%（perovskite/silicon） 等高效单片，并能把 20.25 cm² 模块做至 ~23.8%（空气制备时 23.1%），且FF高达97.1%。这张图表明在封装与模块化流程下，该体系仍然保留高效率和长期稳定性，说明溶剂设计的产业价值。
研究内容二：空气中可规模化制备钙硅叠层电池的溶剂工程
➤ 揭示溶剂极性对水分干扰的影响：研究发现，溶剂的极性和挥发速率共同决定了空气中水分对钙钛矿结晶的影响程度。
➤ 优选n-丁醇（nBA）作为理想溶剂：nBA具有低极性和适中挥发速率，既能抑制水分诱导的降解，又能提升薄膜均匀性。
➤ 实现高效叠层器件：在双面织构硅衬底上制备的叠层电池效率达29.4%（认证28.7%），16 cm²组件效率达26.3%。
➤ 空气中刮涂与狭缝涂布兼容性：展示了刮涂与狭缝涂布在空气中制备大面积均匀钙钛矿薄膜的可行性。
示意图（a）揭示了混合两步沉积法的工艺流程，结合蒸发和刮刀涂布技术，满足大面积制备需求。（b）通过对比乙醇（EA）、异丙醇（IPA）、正丁醇（nBA）和正戊醇（nPA）的物理参数，清晰呈现了随着碳链增长，溶剂极性和饱和蒸气压的下降规律。（c）直观展示了不同溶剂配制的有机盐溶液在空气中暴露1小时后的颜色变化：EA和IPA溶液明显变黄（I2生成），而nBA和nPA基本保持不变，证明了低极性溶剂的防潮优势。（d）展示了刮涂后未经过淬火和退火的薄膜状态，nBA和nPA因挥发慢呈现逐渐变暗，反映了溶剂挥发速率对结晶过程的调控作用。
（a-d）的SEM图像清晰显示，EA薄膜存在大量未反应的PbI2，IPA薄膜在空气中退火后出现分解，nBA薄膜表面洁净、覆盖完整，而nPA因挥发过慢导致钙钛矿结构破坏。（e）XRD图谱定量证实nBA薄膜的PbI2残留信号最弱，结晶质量最佳。（f）稳态PL光谱表明nBA薄膜具有最强的荧光强度，意味着最低的缺陷密度。（g）TRPL测试显示nBA薄膜的载流子寿命最长（350.7 ns），非辐射复合得到有效抑制。（h-j）PL mapping直接证明了nBA薄膜在1.5 cm × 1.5 cm面积上的优异均匀性，为大面积制备奠定了基础。
（a）展示了单结器件的结构示意图。（b）对比了IPA和nBA器件的关键参数（Voc, Jsc, FF, PCE），显示出nBA器件更优的性能和更窄的分布，重复性高。（c）冠军器件的J-V曲线显示nBA器件获得了更高的Voc和Jsc。（d）EQE光谱证实nBA器件在400-600 nm波段具有更高的响应度，与Jsc测量值吻合。（e）大面积（1.044 cm²）器件的J-V曲线及15个器件的效率分布直方图，凸显了nBA在大面积应用中的优势。（f）QFLS测量、（g）EL效率以及（h）光强依赖的Voc分析，共同从物理机制上解释了nBA器件性能提升的原因：更低的非辐射复合损失和陷阱辅助复合。
（a）钙钛矿/硅异质结（SHJ）叠层太阳能电池的结构示意图。（b）截面SEM图像证明了nBA策略能在平均尺寸为2-3 μm的工业级织构硅金字塔上实现保形覆盖，形成高质量的钙钛矿层。（c）冠军叠层器件（1.044 cm²）的J-V曲线达到了29.39%的效率（Voc=1.83 V, Jsc=20.45 mA/cm², FF=78.63%），插图为实物照片。（d）MPP跟踪测试证明了器件的运行稳定性，插图为16个器件的效率分布，一致性良好。（e）EQE光谱显示前后子电池的电流匹配良好（~20.5 mA/cm²），且在不同位置测量结果一致，反映了薄膜的卓越均匀性。（f）最终，将器件面积放大到16 cm²，仍实现了26.3%的高效率，并展示了slot-die涂布技术制备的25.9%效率器件，充分验证了该溶剂工程策略在大规模生产中的巨大潜力。
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