大面积钙钛矿太阳能电池取得新进展

　　图1 钙钛矿薄膜在液相介质中退火的流程及机理示意图
　　图2 液相介质退火制备的小面积（A）与大面积（B）钙钛矿太阳能电池J-V曲线以及稳态效率；传统退火（Ref）与液相介质退火（LMA）得到的大小面积电池效率差异对比（C）；一年四季不同退火条件下得到的器件性能统计（D）
　　在国家自然科学基金项目（批准号：51972004、21975028、22005035）等资助下，北京大学材料科学与工程学院周欢萍研究员团队与北京理工大学材料学院陈棋教授团队等合作，在大面积钙钛矿太阳能电池研究领域取得进展。研究成果以＂液相介质退火制备稳定钙钛矿太阳能电池并提高可重复性（Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility）＂为题，于2021年7月30日在线发表于《科学》（Science）期刊上。论文链接为：https://science.sciencemag.org/content/373/6554/561。
　　近年来，基于有机-无机杂化钙钛矿光电器件（如太阳能电池，发光二极管，光电探测器等）因其原料成本低廉，加工工艺简单，取得了飞速的发展。其中，钙钛矿多晶薄膜通常由溶液法制备，薄膜结晶质量对于器件性能有着至关重要的影响。但薄膜生长过程易受湿度、有机氛围浓度等环境不可控因素影响，同时材料本身在退火条件下反应活性高，因此传统工艺很难制备成分和相态均一的大面积薄膜，且工艺可重复性差，这限制了其产业化制备进程。
　　针对以上问题，研究团队开发了一种简单的＂液相介质退火＂工艺（图1），通过＂液相介质＂，为薄膜生长过程构筑了均匀高效的热场传导和适宜稳定的化学环境，保障了高质量、组分分布均一晶体的大面积制备，显著提高了工艺的可重复性。其中，液相介质提供了＂自上而下＂的独特传热方式，大大缩短薄膜达到退火温度的时间，从而大幅提升组分分布的均一性。同时，液相介质阻隔了钙钛矿与外界环境的接触，有效抑制了水、氧、有机物等干扰钙钛矿结晶，进而提高了晶体质量。此外，液相介质还有效降低了钙钛矿器件制备过程对环境的依赖性。
　　液相介质退火使得钙钛矿薄膜具有更均一的光电性质，大面积与小面积的电池效率差异显著降低，小面积器件（0.08 cm2）实现了24.04%的稳态输出效率，认证值为23.7%。而大面积器件（1 cm2）实现了23.15%的稳态输出效率，认证效率为22.3%，超过目前该面积下所有公开报道的第三方认证效率。该方法有望进一步推广至大面积电池模组的制备。该工艺为高质量，组分空间均一钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径，可广泛应用于不同组分（如三维铅基、锡铅混合、二维等）钙钛矿光电器件（如太阳能电池、发光二极管等）的制备。