Solar RRL:将研究人员从手套箱中解放出来:一种通用的基于热辐射的高效钙钛矿太阳能电池全空气加工方案

有机-无机杂化钙钛矿材料具有合适的带隙、高的光吸收系数和较长的载流子扩散长度,在光伏领域引起了广泛的研究。近年来,钙钛矿太阳能电池的功率转换效率(PCE)从3.8%显著提高到23.3%。由于钙钛矿材料的空气稳定性差,大多数高效钙钛矿太阳电池只能在手套箱中制备,不利于低成本的大规模生产。随着钙钛矿太阳电池的不断发展,探索有效、通用的高效钙钛矿太阳电池全空气中加工技术以应对钙钛矿的产业化发展逐渐成为新的研究热点。对于高效钙钛矿太阳电池,迫切需要制备出连续、致密、取向均一和均匀的高结晶度钙钛矿薄膜。然而,因为水分会对钙钛矿的结构以及成核和成熟过程产生负面影响,在环境空气中获得上述高质量钙钛矿薄膜仍然具有挑战性。在传统的热浇筑工艺中,尽管高温基底可以一定程度减弱钙钛矿表面相对湿度对薄膜的破坏,并有利于提高钙钛矿的结晶质量,然而,高温基底会引起钙钛矿前驱体溶液上下液面形成较大的温度梯度,导致钙钛矿成膜粗糙并形成孔洞,进而降低钙钛矿太阳电池的光电转换性能。

南方科技大学材料科学与工程系程春和合作者发展了一种新的热辐射热浇筑方法,通过调控热辐射参数,极大的减少了辐照区域的相对湿度,如在环境具有较高的相对湿度30%时,钙钛矿薄膜上方局部空间的相对湿度显著减少到约6%,同时钙钛矿内部的温度梯度被完全消除,最终他们在空气中制备出高质量钙钛矿薄膜,通过控制钙钛矿表面局部范围的湿度和钙钛矿薄膜内部的温度梯度,使钙钛矿薄膜在环境空气中生长得非常光滑致密,并且具有高度均一化的结晶取向,有效地解决了温度梯度和水分子入侵等引起的钙钛矿结晶和成膜质量变差的关键问题。该方案在反型和正型结构的钙钛矿太阳电池中展现了良好的普适性,冠军效率分别达到17.2%和19.1%,是全空气加工的钙钛矿太阳电池的最高效率之一。值得注意的是,热辐射热铸方法制备的钙钛矿太阳电池不仅高效,且具有极小的电流迟滞效应,优异的普适性,展示了良好的应用前景。本课题为空气中钙钛矿太阳电池的大规模商业化和产业化生产提供了全新的思路,同时也方便更多课题组能够不受手套箱设备及技术的限制参与到钙钛矿太阳电池的研究中来,共同推动该领域的蓬勃发展。相关结果以“Liberating Researchers from the Glovebox: A Universal Thermal Radiation Protocol Toward Efficient Fully Air-Processed Perovskite Solar Cells”为题发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800324)上。