基于罗达宁（Rhodanine）的成膜动力学调节剂使全小分子有机太阳能电池的效率提升了17%以上

《Journal of Energy Chemistry》：Rhodanine-based film-forming kinetic modulators unlock over 17% efficiency in all-small-molecule organic solar cells

通过引入真空蒸发的钝化分子浴多环苯（BPhen）解决溶液法表面钝化不均匀问题，该策略有效抑制界面缺陷并增强C60与BPhen的π-π堆积效应，使全真空蒸发的钙钛矿太阳能电池效率达20.13%（冠军器件）和18.42%（5×5厘米模块），同时展现优异稳定性。

　　近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）在实验室规模设备向大面积商业化模块的转型过程中，面临诸多挑战。其中，传统溶液法表面钝化技术在均匀性和重复性方面表现不佳，限制了其在工业生产中的应用。为解决这一关键瓶颈，研究人员提出了一种真空蒸发钝化策略，利用可热蒸发的分子——浴酚（BPhen）实现高效的表面钝化。这种无溶剂的方法不仅能够形成高度均匀的钝化层，还能够通过与C60电子传输层的协同π-π堆叠作用，有效抑制表面缺陷，提升电荷提取效率。实验结果显示，采用完全真空蒸发工艺的PSCs在标准AM 1.5G光照条件下，其冠军器件的功率转换效率（PCE）达到了20.13%，而5厘米×5厘米的微型模块也实现了18.42%的PCE。这些成果不仅展示了真空蒸发钝化技术在大面积器件制造中的优势，也为高性能钙钛矿光伏器件的规模化生产提供了稳健的工程路径。

钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能和成本效益，被认为是下一代光伏技术的有力竞争者。近年来，PSCs的PCE已接近27%，接近传统商业晶体硅（c-Si）光伏器件的水平。然而，尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，其商业化和广泛应用仍面临诸多关键挑战，包括显著的铅污染、长期稳定性问题以及界面缺陷等。理论上，钙钛矿中的本征缺陷会成为非辐射复合的场所，并促进离子迁移，尤其是在界面区域。这些现象不仅影响器件的稳定性，还限制了PCE低于Shockley-Queisser理论极限。为此，研究人员开发了多种策略，例如基于有机铵盐的分子钝化方法，该方法通过优化氢原子数量和阳离子的空间位阻，有效减少了倒置钙钛矿太阳能电池的界面能量损失。此外，缺陷钝化被认为是提升PSCs性能的重要途径之一。然而，大多数钝化策略仍然依赖于溶液法工艺，这在大规模工业生产中存在一定的局限性。

溶液法工艺虽然在学术界取得了显著成果，但在工业应用中仍面临诸多问题。例如，传统的溶液形成工艺，如旋涂，不可避免地导致薄膜的均匀性、附着性和质量不佳，从而影响载流子迁移率、内部电场分布的均匀性以及载流子分离效率。近年来，干燥技术如真空蒸发、溅射和原子层沉积（ALD）为实现大面积、高度均匀且可重复的钙钛矿薄膜提供了新的可能性，避免了湿法工艺中溶剂残留和环境问题。然而，干燥制备的钙钛矿薄膜也存在诸如高缺陷态密度和较差稳定性等问题，这些因素严重制约了器件的性能和寿命。因此，为了实现大规模工业化生产，开发一种适用于大面积、均匀的钝化层技术显得尤为重要。

真空蒸发作为一种成熟且具有高度均匀性和可重复性的工艺，被广泛应用于半导体器件的制备。利用真空蒸发技术的高度均匀性和可扩展性，研究人员已经成功制备了大面积的钙钛矿发光二极管（PeLED），并展示了其在下一代显示技术中的巨大潜力。此外，通过多源顺序真空沉积和前驱体优化，研究人员也成功制备了大面积、无针孔、高质量的钙钛矿薄膜。因此，完全真空蒸发的PSCs领域近年来取得了显著进展。初步研究表明，通过优化钙钛矿层并采用如CuPc等空穴传输材料，PSCs的PCE可以达到11%至15%。随后的研究重点转向改进沉积工艺并探索新型的电荷传输层，使器件性能逐步提升。在顺序蒸镀和多源共蒸发技术的突破下，高质量的混合阳离子、混合卤化物钙钛矿薄膜得以实现，使得单结蒸发器件的PCE突破了19%。然而，尽管在优化钙钛矿体和电荷传输层方面取得了显著进展，但在管理界面缺陷方面仍存在关键挑战。这些界面缺陷是导致非辐射复合的主要来源，限制了器件的最终效率和稳定性。因此，开发适用于完全真空蒸发架构的钝化策略成为进一步提升PSCs性能的关键。

本研究提出了一种新的策略，即通过真空蒸发工艺实现BPhen分子的钝化层。BPhen具有高度共轭的平面结构，在所需的蒸发温度下能够实现高效的气相传输和均匀的沉积。BPhen分子中的含氮功能基团被战略性地用于钝化钙钛矿上表面的缺陷。同时，BPhen与C60之间的π-π堆叠作用有助于增强电荷载流子的传输并优化界面接触。实验结果表明，这种真空蒸发钝化层能够有效减少上表面的缺陷，并提升电流密度。因此，采用该钝化策略制备的倒置全真空蒸发PSCs在标准AM 1.5G光照条件下表现出显著的PCE，达到了20.13%。值得注意的是，经过钝化处理的器件表现出优异的稳定性，745小时后仍能保持初始效率的95%。此外，通过制备完全真空蒸发的PSC模块（5厘米×5厘米），实现了可扩展的生产，其PCE也达到了18.42%。这些成果无疑为开发全真空蒸发、大面积、高效且稳定的钙钛矿太阳能电池提供了重要支持。

本研究的主要贡献在于，首次将BPhen作为真空蒸发钝化层应用于PSCs，并验证了其在提升器件性能和稳定性方面的有效性。BPhen分子在蒸发过程中能够形成均匀的覆盖层，避免了传统溶液法工艺中常见的不均匀性问题。此外，BPhen与C60之间的协同作用不仅提升了电荷传输效率，还优化了界面接触，从而减少非辐射复合的损失。这种“干式钝化”策略为完全真空蒸发的PSCs提供了一种新的解决方案，有助于克服现有技术在大面积制备和工业应用中的局限性。

在实验设计方面，本研究采用了一系列优化措施，包括BPhen分子的蒸发参数调整、C60电子传输层的沉积工艺优化以及器件结构的改进。这些措施确保了钝化层的均匀性和有效性，从而提升了整体的性能表现。同时，研究团队还对钝化层的稳定性进行了系统的测试，包括在不同温度和湿度条件下的性能变化。实验结果显示，经过真空蒸发钝化处理的PSCs在稳定性方面表现出色，其效率衰减率显著低于传统溶液法处理的器件。这种稳定性不仅有助于延长器件的使用寿命，也为其在商业化应用中的可靠性提供了保障。

在技术应用层面，本研究的成果具有重要的工业意义。随着太阳能电池技术的不断发展，对高效、稳定且易于大规模生产的器件需求日益增加。传统的溶液法工艺虽然在实验室研究中表现出色，但在实际生产过程中存在诸多问题，如溶剂残留、环境影响以及薄膜均匀性差等。相比之下，真空蒸发工艺能够避免这些问题，同时提供更高的均匀性和可重复性。因此，本研究提出的BPhen真空蒸发钝化策略为PSCs的工业化生产提供了一种可行的替代方案。通过这一策略，不仅可以实现高质量的钙钛矿薄膜，还能有效提升器件的性能和稳定性，为未来的商业化应用奠定基础。

此外，本研究还探讨了BPhen分子在钙钛矿太阳能电池中的潜在作用机制。BPhen分子的平面结构使其在蒸发过程中能够形成均匀的覆盖层，而其含氮功能基团则能够有效钝化钙钛矿上表面的缺陷。这种钝化作用不仅减少了非辐射复合的损失，还提升了载流子的提取效率。同时，BPhen与C60之间的π-π堆叠作用有助于形成高效的电荷传输通道，从而优化界面接触并提升整体的性能表现。这些机制的深入研究为后续的材料设计和工艺优化提供了理论支持，也为进一步提升钙钛矿太阳能电池的性能提供了新的思路。

在实际应用中，本研究的成果为钙钛矿太阳能电池的工业化生产提供了重要的技术支持。随着对高效率、高稳定性和低成本太阳能电池的需求不断增长，真空蒸发工艺的引入为实现这些目标提供了新的可能性。通过本研究提出的BPhen钝化策略，不仅能够提升钙钛矿太阳能电池的性能，还能确保其在大规模生产中的稳定性和一致性。这种技术路径的可行性已被实验数据充分验证，为未来钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了坚实的基础。

综上所述，本研究通过引入BPhen真空蒸发钝化策略，成功克服了传统溶液法钝化技术在大面积钙钛矿太阳能电池中的局限性。实验结果显示，这种策略能够有效提升器件的PCE和稳定性，为实现高性能、大规模生产的钙钛矿太阳能电池提供了新的解决方案。未来，随着相关技术的进一步发展，真空蒸发钝化策略有望成为钙钛矿太阳能电池工业化生产的重要技术手段，推动其在可再生能源领域的广泛应用。