編輯推薦：本文介紹了利用冠醚與金屬離子的新型相互作用，在α相FACsPbI3的晶化過程中，利用冠醚與金屬離子的相互作用，實現了高質量鈣鈦礦薄膜的大規模製備。這種由冠醚輔助的簡易放大策略顯示出高效和高度穩定大面積PSC模塊應用的巨大前景。
混合金屬滷化物鈣鈦礦由於其溶液工藝兼容性、可調帶隙、良好的載流子遷移率和高消光係數，被期望作為生產下一代低成本高性能光伏器件的新材料。基於FACs的鈣鈦礦型太陽能電池因其顯著的光穩定性和熱穩定性而受到廣泛關注。然而，在目前的情況下，溼度不穩定性和可擴展性製造困難仍然是阻礙其光伏應用的主要障礙。
近日，廈門大學尹君，吳炳輝和李晶等人提出了一種新穎的冠醚剪裁策略，以實現穩定、高質量的FACs基鈣鈦礦薄膜的可擴展製備。相關論文以題為「Crown EtherAssisted Growth and Scaling Up of FACsPbI3 Films for Efficient and Stable Perovskite Solar Modules」發表在Advanced Functional Materials上。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008760
實驗中，由於控制了晶體質量和改善了薄膜的表面狀態，在1000小時的存儲穩定性下，器件的最高效率達到了20.48%。此外，在16和100 cm2的總面積上，研究人員成功地製備了基於普通可伸縮葉片塗層膜的PSC組件，其總面積分別為16.7%和13.84%。這項工作中開發的可擴展製備FACs基鈣鈦礦薄膜的晶化方法，必將推動高熱穩定和溼穩定的鈣鈦礦模塊走向工業化，這也顯示出在其他領域的潛在影響，如發光二極體、光電探測器和閃爍體。
為了闡明冠層是如何調控立方氮化硼薄膜生長的，採用原位衰減全反射傅立葉變換紅外光譜法(ATR-FTIR)監測鈣鈦礦前驅體向固體薄膜的演變。如圖1a、b所示，在不同的退火持續時間(使用紅外燈作為加熱源)下收集ATR-FTIR光譜的等高線圖，以比較有或沒有冠狀剪裁的動態變化。
圖1 冠層與Cs+和Pb2+金屬離子的相互作用。鈣鈦礦前驅體溶液a)不含和b)含冠層在不同退火時間下的ATR-FTIR光譜等值線圖。綠色和藍色的箭頭分別表示二甲基甲醯胺溶劑和鈣鈦礦薄膜。c) Cs 3d和d) Pb 4f XPS光譜的冠狀-FACsPbI3和FACsPbI3薄膜。
為了通過冠層剪裁來獲得對FACsPbI3膜的表面狀態的洞察，引入了掃描開爾文探針顯微鏡(SKPM)測試，來檢查具有或不具有冠層剪裁的鈣鈦礦膜的表面形態和表面狀態的變化。如圖2a–d所示，冠狀-FACsPbI3薄膜顯示出更光滑的表面，與對照FACsPbI3薄膜的39.7納米相比，均方根粗糙度更低，為26.9納米，平均表面接觸電勢(SP)也更高。
圖2 冠狀-FACsPbI3薄膜的表面狀態。由SKPM測量的a)冠狀-FACsPbI3和b) FACsPbI3薄膜的形貌圖像分別具有c，d)相應的表面接觸電勢圖案。e)在(c)和(d)中標記的行掃描上的速度值。f)冠狀-FACsPbI3和FACsPbI3薄膜的水接觸角。
圖3 冠狀-FACsPbI3基太陽電池的光伏性能。a)冠狀結構的J–V特徵，以及b)冠狀-FACsPbI3和基於FACsPbI3基PSCs的30個單元的分布。c)性能最佳的冠狀-FACsPbI3和FACsPbI3基PSC的IPCE頻譜和相應的集成短電流(Jsc)。d)在儲存條件下(25℃，相對溼度30%)冠狀-FACsPbI3和FACsPbI3 PSCs的溼度穩定性。
圖4 基於冠狀-FACsPbI3的PSC模塊的大規模製造。a)兩片代表性冠狀-FACsPbI3薄膜的數字圖像(4× 4 cm2 (16 cm2)和10 × 10 cm2 (100 cm2)面積)。b)基於冠狀-FACsPbI3的16和100 cm2面積PSC模塊的J–V特性。c) 100 cm2面積PSC模塊的照片。d)在儲存條件下(25℃，相對溼度30%)，冠狀-FACsPbI3和FACsPbI3未封裝的PSC模塊(16 cm2面積)的PCE演化過程。
總的來說，研究人員通過避免製備過程中的相變，證明了有目的的冠醚剪裁可以有效地操縱基於fac的鈣鈦礦膜的結晶過程，並且通過與Cs+和Pb2+的強相互作用鈍化膜表面以提高膜的防潮性。該研究對於推動高熱穩定和溼穩定的鈣鈦礦模塊的工業化歷程必將發揮積極的作用。（文：8 Mile）
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