吡啶辅助溶剂工程制备高质量窄带隙钙钛矿用于高效叠层组件

针对锡铅混合窄带隙（NBG）钙钛矿大面积制备难题，研究人员通过引入高配位能力与高饱和蒸气压的吡啶溶剂，调控结晶过程，结合真空退火技术，实现了高质量、大面积NBG薄膜的制备。全钙钛矿叠层微型组件效率达22.0±0.4%（孔径面积10.4 cm2），为商业化应用提供新路径。

　　

全钙钛矿叠层太阳能组件因其高功率转换效率（PCE）而成为光伏技术的研究热点，但目前面临一大挑战：如何制备高质量、大面积的锡铅混合窄带隙（NBG）钙钛矿薄膜。传统的溶剂系统如DMF（N,N-二甲基甲酰胺）/DMSO（二甲基亚砜）难以有效调控锡基钙钛矿的结晶动力学，导致薄膜质量不佳，存在孔洞和缺陷，限制器件性能。

为解决这一问题，上海交通大学和华东理工大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项研究，通过溶剂工程策略，引入吡啶作为协调溶剂，成功制备出大面积、致密均匀的NBG钙钛矿薄膜，并应用于高效叠层微型组件。

研究采用的主要技术方法包括：刀片涂覆技术用于大面积薄膜制备，真空退火（VA）过程加速溶剂挥发，密度泛函理论（DFT）计算分析溶剂与钙钛矿前体的结合能，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征中间相形成，扫描开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电原子力显微镜（C-AFM）评估薄膜光电性能。

结果部分

Preparation of large-area and high-quality NBG perovskite films

通过优化吡啶在溶剂系统中的体积比例（10 vol%），结合真空退火，获得表面粗糙度低（Ra=3.7 nm）、结晶度高、无孔洞的NBG钙钛矿薄膜。刀片涂覆制备的薄膜尺寸达15 cm×10 cm，展示良好均匀性。

Photoelectric properties of NBG perovskite films

与DMSO基薄膜相比，吡啶改性薄膜接触表面电位分布（CPD）和漏电流分布（LCD）更均匀，稳态光致发光（PL）强度显著增强，时间分辨PL映射显示载流子寿命更长且分布一致，表明缺陷密度降低。

Mechanism study of pyridine based intermediate phase

DFT计算证实吡啶与PbI₂/SnI₂的结合能（分别为29.24和46.94 kcal/mol）高于DMSO，FTIR和XRD验证吡啶与Sn²⁺离子强配位形成稳定中间相，有效延缓结晶速率，抑制异相成核。

Photovoltaic performance of all-perovskite tandem mini-modules

NBG单结微型组件效率达22.0%（V_OC=0.853 V，J_SC=32.5 mA cm^?2，FF=79.2%），叠层组件平均效率22.0±0.4%，冠军组件效率22.9%（V_OC=8.10 V，I_SC=37.0 mA，FF=79.5%），EQE测试显示子电池电流匹配良好（14.8/14.7 mA cm^?2），光照1000小时后保持初始效率87%。

结论与意义

该研究通过吡啶溶剂工程和真空退火技术，解决了锡铅钙钛矿异步结晶问题，实现高质量NBG薄膜的大规模制备。全钙钛矿叠层组件的高效性和稳定性为其商业化应用奠定基础，为未来光伏技术发展提供重要方向。