近日，我院青年教师王鑫作为第一兼通讯作者在材料领域国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（Q1, 中科院一区TOP,IF=18.5）上在线发表了题为“Fluorocarbon-based Solvent-BathAnnealing for High-Performance Perovskite Photovoltaics”的研究论文, 瑞典Linköping University王锋为共同通讯作者。此外，《Journal of Materials Chemistry C》（Q1, 中科院二区TOP, IF=5.7）近期也刊发了王鑫博士（第一作者）题为“Gelation ofthe electron transport layer to improve the thermal stability of efficientperovskite solar cells “的研究成果，学院陈立飞教授为共同通讯作者，并得到于伟教授和吴子华教授的指导。上海第二工业大学为论文第一单位。
热退火是为高性能钙钛矿太阳能电池生产高质量钙钛矿薄膜的关键工艺。传统退火方法中存在一些挑战，例如各功能层间导热系数的差异会产生延迟的热传递，这会导致不良的薄膜均匀性和小晶粒钙钛矿晶体的产生。“溶剂浴加热”退火是一种基于全向退火模式的方法，它通过将沉积的前驱体薄膜浸入液体介质中来改善传热并促进钙钛矿结晶。本研究工作开发了一种用于溶剂浴退火的新型氟碳溶剂，它通过全向退火实现均匀的热传导并建立了微环境以增强晶体。通过比较两种氟碳化合物溶剂全氟癸（PFD）和全氟甲苯 （PFT），文章中详细研究了此前被忽视的碳氟化合物和钙钛矿前驱体溶剂之间的溶剂-溶剂相互作用。结果表明，具有更强 DMF/DMSO 可萃取性的 PFT 能够诱导溶剂化中间体更快速的成核，形成具有较少缺陷和抑制界面复合的高质量钙钛矿晶体。最终，钙钛矿太阳能电池器件表现出更高的功率转换效率（24.26%）和用于不用类型钙钛矿材料组合的可重复性。这项研究证实了一种有前途且有效的溶剂浴退火方法来制造良好重现性和可扩展性的高效钙钛矿太阳能电池。
图1. 氟碳溶剂与钙钛矿组分的混溶性和反应性。a） 两种氟碳溶剂的化学结构及其与 PbI2和铵盐的不混溶示意图。b）氟碳溶剂 PFD 和 PFT 添加到DMF 和 DMSO前驱体溶液中的提取作用。c，d） PFT 与其他溶剂（c）DMF和（d）DMSO的FTIR 光谱。e）基于PFD 和PFT 溶剂浴退火条件下湿膜中溶剂萃取的作用示意图。
图2. 钙钛矿薄膜形貌表征。a） 钙钛矿薄膜的溶剂浴退火工艺示意图。b-d） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿薄膜的SEM 图像。e） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿薄膜的粒度分布。f-h） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿薄膜的横截面 SEM 图像。
图3.钙钛矿薄膜缺陷表征和测量。a） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿薄膜的 XRD图谱。b） TA、PFD 和 PFT 退火的仅电子传输钙钛矿器件的 SCLC 曲线。c） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿太阳能电池的导纳光谱。d） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿表面的稳态 PL 光谱。e） TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿薄膜的 TRPL 光谱。f） TA 和溶剂浴退火钙钛矿的整体成核和晶体生长的 Lamer 图。
图4.溶剂浴的热传导和退火对钙钛矿结晶度的影响。 a-b） TA 和 PFD、PFT 退火钙钛矿薄膜的红外相机图像捕获的温度演变和薄膜升温速率对比。c-e）TA、PFD 和 PFT 退火钙钛矿薄膜在 5 s 至 60 s 不同退火时间下的XRD图谱。f） PFD 和 PFT 浴在 20 °C（5 min）下沉积的中间膜的 XRD 图谱。g）和薄膜分别在PFD 和PFT下溶剂浴25 °C下α相/溶剂化中间相、PbI2/PbI2（DMSO）的相对强度。
图5.器件光伏性能、溶剂浴策略的通用性和可重复性。a）器件的 的 J-V 曲线及相应的EQE 谱图。c-d） 在不同电压偏置下，电池作为 LED 工作时的 EL 光谱及对应的EQE。e-f）小面积和大面积钙钛矿薄膜照片。g） 1cm2钙钛矿器件的 J-V 曲线. h）封装太阳能电池的常温稳定性。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202413400
此外，长期稳定性仍然是钙钛矿太阳能电池商业化的一个挑战。电子传输层（ETL） 及其高电子传输能力、较少电荷复合和缺陷钝化能力对于增强器件稳定性至关重要。氧化锡 （SnO2）是一种用于光电器件的有前途的 ETL，存在表面羟基等固有缺陷和不均匀的形态，这会对器件性能产生负面影响并缩短器件寿命。在这项研究中，我们报道了一种简单有效的方法，该方法使用草酸铵（AMO） 作为添加剂来诱导 SnO2胶体溶液凝胶化。研究发现 SnO2-ETL 的凝胶化提供有效均匀的表面形态并在高湿度条件下也能防止水分渗透。同时，ETL 的凝胶化可钝化界面缺陷（如表面羟基和氧空位）并增强钙钛矿层的电荷提取；铵根基团则促进更高的薄膜结晶，从而减少电荷复合。最终，基于凝胶 ETL 的优化 PSC 实现了高达21.40%光电转换效率，未封装 PSC 也表现出优异的水分和热稳定性。这项工作表明，采用凝胶化 ETL 是解决平面 PSC 热不稳定性的一种有前途的策略。
图1. SnO2电子传输层凝胶化示意图及形貌SEM图。
图2. 凝胶化ETL策略提升钙钛矿太阳能电池的稳定性研究。