用于钙钛矿太阳能电池环境空气处理的抗溶剂设计：极性、水溶性和挥发性

《Energy Technology》：Antisolvent Design for Ambient Air Processing of Perovskite Solar Cells: Polarity, Water Solubility, and Volatility

抗溶剂处理可有效提升钙钛矿太阳能电池效率，但传统低极性抗溶剂在潮湿环境中易导致薄膜形貌不佳。本研究基于Hansen溶解度参数（氢键δH和极性δP），筛选兼具低极性、高水溶性和沸点低于退火温度（120°C）的抗溶剂。实验表明，当δH/δP比值达1.3时效率最高，超过此值效率下降，主要因高沸点抗溶剂残留影响薄膜质量。乙基醋酸酯（EA）在35%湿度下效率达17.41%，但易燃；正丁醇酸酯（BA）毒性低且效率15.1%，更适于量产。结论指出理想抗溶剂需平衡极性、氢键能力和沸点，退火温度可调以匹配溶剂特性，同时需兼顾闪点等安全因素。

　　在当前的光伏技术领域，钙钛矿太阳能电池因其优异的光电转换效率（PCE）而受到广泛关注。尽管实验室条件下已经实现了非常高的PCE，但在实际工业生产中，如何在开放空气中实现高质量钙钛矿薄膜的制备，仍然是一个亟待解决的关键问题。为了克服这一难题，研究者们不断探索适合在常温、高湿度环境下使用的抗溶剂材料。抗溶剂技术作为提升钙钛矿薄膜质量的重要手段，已被证明在提高电池性能方面具有显著效果。然而，传统低极性抗溶剂如氯苯（CB）或甲苯（TL）在开放空气中使用时，由于容易溶解水分子，会导致钙钛矿薄膜出现不均匀、粗糙甚至出现孔洞等不良结构，从而降低整体性能。

为了解决这一问题，研究团队从Hansen溶解度参数的角度出发，分析了抗溶剂的极性（δP）和氢键能力（δH）对钙钛矿薄膜形成过程的影响。Hansen溶解度参数是一种描述材料之间相互作用的理论模型，其中氢键参数（δH）与水溶性密切相关，而极性参数（δP）则反映了抗溶剂的分子极性。通过合理选择具有低极性但高氢键能力的抗溶剂，可以有效避免水分对钙钛矿薄膜的不良影响，同时确保其能够迅速诱导前驱液达到超饱和状态，从而促进均匀的晶体生长。然而，研究发现，随着δH/δP比值的增加，PCE在达到约1.3时达到峰值，但超过该比值后，PCE反而下降，这一现象与预期不符，表明单纯的极性与氢键能力的平衡并非决定PCE的唯一因素。

进一步研究表明，抗溶剂的沸点是影响PCE的重要因素。当抗溶剂的沸点高于钙钛矿薄膜的退火温度（120°C）时，其在退火过程中无法完全挥发，反而会残留在薄膜中，从而影响晶体生长和电子传输性能。残留的抗溶剂可能会引入缺陷，降低载流子寿命，并导致器件性能下降。因此，理想的抗溶剂应具备低极性、高水溶性和低沸点的特性，使其能够在退火过程中迅速挥发，同时避免对钙钛矿晶体结构造成破坏。此外，如果在退火过程中采用高于抗溶剂沸点的温度，也可以有效提高PCE，这为优化抗溶剂的使用条件提供了新的思路。

为了验证上述结论，研究团队系统地测试了多种抗溶剂在开放空气中的应用效果。例如，乙酸乙酯（EA）由于其高水溶性和适中的沸点（77°C），在高湿度环境下表现出优异的性能，能够显著改善钙钛矿薄膜的均匀性和密度，从而提升PCE至17.41%。相比之下，传统低极性抗溶剂如CB和TL由于其沸点高于退火温度，导致在退火过程中残留，影响了薄膜质量，使得PCE下降。而甲基乙酸酯（MA）和丁基乙酸酯（BA）等抗溶剂则在高沸点的情况下表现出良好的水溶性和低毒性，使得其在实际生产中具有更大的应用潜力。

实验结果还表明，抗溶剂的氢键能力与PCE之间存在一定的平衡关系。虽然高氢键能力的抗溶剂有助于提高水溶性，从而减少水分对钙钛矿前驱液的影响，但过高的氢键能力会导致其沸点升高，进而影响退火过程中的挥发效率。例如，油酸（OA）和辛醇（Oct）等高氢键能力的抗溶剂虽然在水溶性方面表现出色，但其沸点远高于退火温度，因此在退火过程中难以完全去除，导致PCE下降。因此，研究团队建议，在选择抗溶剂时，不仅要考虑其极性和氢键能力，还需关注其沸点是否低于退火温度，以确保其在退火过程中能够有效挥发，不会对钙钛矿薄膜造成不良影响。

除了抗溶剂的理化性质，其在实际生产中的应用方式也对PCE产生重要影响。在模块制造过程中，抗溶剂通常是在前驱液均匀涂布后立即滴加，以确保其能够充分参与薄膜形成过程。然而，这一过程需要大量的抗溶剂，增加了生产成本和环境负担。因此，开发低毒、环保且易于挥发的抗溶剂成为当前研究的热点。例如，BA因其较高的闪点（22°C）和相对较低的毒性，被认为是一种理想的抗溶剂候选材料。尽管其PCE略低于EA，但其在安全性和环境友好性方面具有明显优势，适合大规模生产。

此外，研究团队还通过X射线衍射（XRD）和光致发光（PL）等技术，对不同抗溶剂制备的钙钛矿薄膜进行了深入分析。结果显示，使用EA、MA和BA等抗溶剂制备的薄膜在XRD图谱中表现出更完整的晶体结构，而在PL光谱中显示出更长的载流子寿命，这表明这些抗溶剂有助于减少缺陷，提高载流子迁移效率。相比之下，使用OA和Oct等高沸点抗溶剂制备的薄膜虽然在水溶性方面表现良好，但由于其沸点过高，退火过程中难以完全去除，导致PCE下降。因此，研究团队建议，在开放空气环境中，应优先选择那些沸点低于退火温度、同时具备良好水溶性和适当极性的抗溶剂。

为了进一步优化抗溶剂的选择，研究团队还分析了不同抗溶剂的闪点。闪点是指溶剂在特定条件下开始挥发的温度，它直接影响抗溶剂在实际生产中的安全性和储存条件。例如，EA的闪点低于0°C，这使得其在设施中储存和使用时存在较大风险，而BA的闪点为22°C，不仅提高了安全性，还减少了对环境的影响。因此，BA在实际生产中具有更高的可行性，尽管其PCE略低于EA，但仍可作为高效率钙钛矿太阳能电池模块的潜在抗溶剂。

总的来说，该研究揭示了抗溶剂在钙钛矿太阳能电池制备过程中所扮演的关键角色。通过系统分析Hansen溶解度参数、沸点和闪点等关键特性，研究团队为在开放空气环境中实现高效率钙钛矿太阳能电池提供了科学依据。尽管目前的研究表明，某些高氢键能力的抗溶剂在特定条件下可能表现出优异的性能，但其高沸点和闪点问题限制了其在实际生产中的应用。因此，未来的研究方向应集中在开发兼具低极性、高水溶性和适中沸点的抗溶剂，以实现钙钛矿太阳能电池的高效、安全和可持续生产。同时，优化退火温度和抗溶剂使用条件，也有助于进一步提升PCE，推动钙钛矿太阳能电池在商业化道路上的进展。