降低CsPbI1.5Br1.5钙钛矿薄膜中的溶剂残留量，以实现高效超宽带隙太阳能电池

《Carbon Neutralization》：Minimizing Solvent Residues in CsPbI1.5Br1.5 Perovskite Films for Efficient Ultra-Wide Bandgap Solar Cells

采用顺序萃取真空法（SEVM）处理CsPbI?.?Br?.?钙钛矿薄膜，有效减少溶剂残留，提升薄膜结晶质量，抑制非辐射复合。器件在1.336V开路电压下实现14.29%的转换效率，VOC损失达最低，且500小时未封装存储保持90%初始效率。SEVM通过协同溶剂去除和真空处理优化薄膜结构，为宽带隙钙钛矿太阳能电池提供新解决方案。

　　在当前的光伏技术领域，钙钛矿材料因其独特的光电性能而备受关注。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其可调的带隙、高光吸收系数以及低激子结合能，展现出巨大的应用潜力。然而，有机成分的易挥发性使得其在热稳定性方面存在局限，难以满足商业应用的需求。因此，研究者们将目光转向了无机钙钛矿材料，这类材料由于不含有机组分，表现出优异的光热稳定性，被认为是未来高效且稳定太阳能电池的有力候选。

在无机钙钛矿中，CsPbI₃和CsPbI₂Br因其带隙特性（分别为约1.7 eV和1.9 eV）而被广泛研究，但它们在常温高湿环境下容易发生相变，从具有光电活性的α相转变为非活性的δ相，从而影响器件性能。相比之下，Br含量较高的无机钙钛矿，如CsPbIBr₂和CsPbBr₃，在高温、高湿及光照条件下表现出良好的稳定性。然而，其过宽的带隙限制了光吸收效率，进而影响整体的转换效率。因此，寻找一种能够在带隙调控与稳定性之间取得平衡的无机钙钛矿材料成为研究的重点。

CsPbI_1.5Br_1.5作为一种介于CsPbI₂Br和CsPbIBr₂之间的中间组分，被寄予厚望。它结合了两者的优势，既具备较宽的带隙，又拥有较高的稳定性，被认为是实现高效无机钙钛矿太阳能电池的关键材料。然而，由于其Br含量较高，制备过程中常遇到的问题包括前驱体薄膜的溶剂蒸发速率差异大、成核生长动力学不匹配，导致薄膜质量较差，进而引发严重的非辐射复合现象，使得开路电压损失（V_OC loss）增加，器件效率降低。

为了解决这一问题，研究人员提出了一种新型的制备方法——顺序提取真空法（Sequential Extraction Vacuum Method, SEVM）。该方法结合了抗溶剂提取和真空处理，旨在有效去除前驱体薄膜中的残留溶剂，从而改善薄膜的结晶质量和表面结构。SEVM处理后的钙钛矿薄膜表现出更致密的晶粒结构、更少的针孔和更高的覆盖率，显著降低了非辐射复合的概率。这一优化不仅提升了器件的光电转换效率，还增强了其长期稳定性。

实验结果显示，经过SEVM处理的CsPbI_1.5Br_1.5太阳能电池在未封装条件下，其最佳器件的转换效率（PCE）达到了14.29%，开路电压（V_OC）为1.336 V，对应的V_OC损失仅为0.624 V，是目前研究中针对带隙大于1.95 eV的无机钙钛矿太阳能电池中最小的V_OC损失。此外，SEVM处理的器件在500小时的未封装存储后，仍能保持初始效率的90%，显示出良好的稳定性。

为了进一步探究SEVM对钙钛矿薄膜的影响，研究人员采用了多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及稳态光致发光（PL）测量等。XRD分析表明，经过SEVM处理的薄膜显示出更强烈的α相特征峰，且δ相的峰强度显著降低，这表明SEVM有效地促进了α相的形成，抑制了δ相的出现。SEM图像则揭示了SEVM处理后的薄膜具有更均匀的晶粒分布，针孔数量大幅减少，晶粒覆盖率更高，从而改善了薄膜的微观结构。AFM测量结果显示，SEVM处理后的薄膜表面粗糙度显著降低，这有助于提升钙钛矿层与传输层之间的接触质量，进而增强载流子的传输效率。

此外，通过稳态PL测量，研究人员发现SEVM处理的薄膜具有更高的发光强度，表明其结晶质量更高，且载流子复合受到有效抑制。这种改善与SEVM处理过程中残留溶剂的去除密切相关，因为残留溶剂的存在往往会引入缺陷，影响载流子的寿命和迁移效率。SEVM通过同时进行抗溶剂提取和真空处理，不仅加速了溶剂的挥发，还优化了薄膜的结晶过程，从而减少了缺陷密度，提升了器件的性能。

在电学性能方面，研究人员通过暗电流测量和空间电荷限制电流（SCLC）测试评估了SEVM对器件的影响。结果显示，SEVM处理的器件在暗态下表现出最低的电流密度，说明其载流子复合率较低。SCLC测试进一步表明，SEVM处理的薄膜具有更低的陷阱密度，这与较高的开路电压和较低的电流损失密切相关。同时，通过Mott-Schottky曲线分析，研究人员发现SEVM处理的器件具有更高的内置电位（V_bi），这意味着其内部电场更强，有助于分离光生载流子，减少复合损失，从而提高开路电压。

进一步的电化学阻抗谱（EIS）分析也验证了SEVM对器件内部载流子动力学的优化。SEVM处理的器件表现出更大的电化学阻抗弧，表明其具有更高的载流子复合阻力，这有利于提高器件的稳定性。同时，SEVM处理的器件在不同光照强度下表现出更稳定的电流输出，其填充因子（FF）和转换效率（PCE）均优于其他处理方式，尤其是在长期运行中保持较高的性能表现。

为了更全面地评估SEVM处理对器件性能的影响，研究人员还通过外部量子效率（EQE）测量和时间分辨的PCE测试，分析了不同处理方式下的器件表现。EQE测量结果显示，SEVM处理的器件在光谱响应范围内的电流密度更高，且更接近实际测量值，这表明其光吸收效率更高，且载流子生成和传输过程更加高效。时间分辨的PCE测试进一步证明，SEVM处理的器件在保持最大功率点（MPP）时表现出更稳定的性能，其PCE在400小时后仍能维持较高的水平，而其他处理方式下的器件则出现了不同程度的性能下降。

这些结果表明，SEVM处理不仅显著提升了CsPbI_1.5Br_1.5钙钛矿薄膜的质量，还有效优化了器件的光电性能和稳定性。相比传统的静态挥发和抗溶剂提取方法，SEVM结合了两种处理手段，通过控制溶剂的蒸发速率和成核生长动力学，实现了更优的薄膜结构和更少的缺陷密度。这种综合策略为无机钙钛矿太阳能电池的高效制备提供了新的思路，也为未来在宽禁带无机钙钛矿材料中的应用奠定了基础。

综上所述，SEVM作为一种新型的薄膜处理方法，成功解决了无机钙钛矿材料在制备过程中因溶剂残留而导致的性能下降问题。通过有效去除残留溶剂，SEVM显著提升了钙钛矿薄膜的结晶质量、表面平整度以及载流子传输效率，从而提高了器件的光电转换效率和稳定性。此外，SEVM处理的器件在未封装条件下表现出优异的长期稳定性，这为其在实际应用中的可行性提供了有力支持。未来，随着对SEVM处理机制的深入研究，以及对不同钙钛矿材料的适配性探索，该方法有望成为高效无机钙钛矿太阳能电池制备的关键技术之一。