一石四鸟：通过先进的制造策略提高钙钛矿太阳能电池的集成电流密度，使其超过25.5 mA cm–2

《ACS Applied Energy Materials》：Four Birds with One Stone: Enhancing Integrated Current Density beyond 25.5 mA cm–2 in Perovskite Solar Cells through Advanced Fabrication Strategies

本研究系统优化了FAPbI3钙钛矿太阳能电池的基底选择、退火工艺、添加剂引入及表面钝化策略，将电流密度提升至25.59 mA/cm2，转换效率达21.86%，同时通过稳定性测试验证了长期可靠性。

　　在当今全球能源需求不断上升的背景下，钙钛矿太阳能技术正逐渐成为可再生能源领域的一项重要创新。这一技术以其高光电转换效率、低成本制造和灵活的材料选择等优势，吸引了众多研究者的关注。钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率已突破27.3%的里程碑，标志着其在传统硅基太阳能电池领域中展现出强劲的竞争力。然而，尽管效率的提升令人振奋，这项技术的实际应用仍面临诸多挑战，特别是在钙钛矿材料的稳定性方面。以FAPI（甲基铵铅碘）为基础的钙钛矿材料因其窄带隙结构而具备优异的光吸收能力，但这种结构也容易在常温下发生相变，导致性能下降。因此，如何有效提升FAPI基钙钛矿太阳能电池的稳定性和性能，成为当前研究的重点。

本研究围绕四个关键参数展开，系统探讨了它们对钙钛矿太阳能电池性能的影响。这四个参数包括基板选择、退火工艺、添加剂引入以及表面钝化策略。通过对这些因素的逐一优化，研究团队成功实现了对FAPI基钙钛矿材料的深度调控，最终使集成电流密度从23.11 mA cm?2提升至25.59 mA cm?2，光电转换效率也从18.23%提高到21.86%。这一成果不仅展示了钙钛矿太阳能电池在性能上的巨大潜力，也为未来的大规模应用和商业化提供了重要的理论依据和技术支持。

基板的选择在钙钛矿太阳能电池的制造过程中起着至关重要的作用。不同基板材料对光吸收、电荷传输和整体性能具有显著影响。在本研究中，团队对比了常用的氟掺杂氧化锡（FTO）基板与氧化锡掺杂铟（ITO）基板。FTO基板虽然具有较高的导电性，但其在紫外光谱区域的透光率较低，可能导致光吸收效率的降低。相比之下，ITO基板展现出更高的透光率，尤其是在紫外波段，这有助于减少寄生吸收，提高电池的光利用率。然而，ITO基板的高电阻率可能增加电池的串联电阻，从而降低填充因子（FF）。因此，团队在基板选择上寻求了最佳平衡，最终确定使用具有较高透光率且电阻率适中的ITO-2基板。实验结果表明，使用ITO-2基板的电池在短路电流密度方面优于FTO基板，进一步验证了基板优化对性能提升的关键作用。

在退火工艺方面，研究团队着重于控制退火温度，以避免高温对钙钛矿层及底层材料（如自组装单层，SAM）的破坏。传统上，许多钙钛矿太阳能电池的制造依赖于高温退火（通常在150 °C以上），以确保钙钛矿薄膜的高结晶度和良好性能。然而，这种高温处理可能会引起SAM层的热分解，进而影响电池的界面性能和整体稳定性。因此，团队探索了低于150 °C的退火条件，并发现这一温度范围能够有效维持钙钛矿和SAM层的完整性。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，团队发现当退火温度达到150 °C时，PIN结构的SAM层会出现明显的降解现象，而NIP结构的SAM层则相对稳定。这一发现表明，退火温度的优化不仅有助于减少钙钛矿薄膜的裂纹形成，还能保持SAM层的结构完整性，从而提升电池的性能和寿命。

添加剂的引入是钙钛矿太阳能电池优化的另一个重要方向。研究团队选择了多种添加剂，包括1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIM BF?）、苯基肼盐酸盐（BHC）和油胺（OAm），这些添加剂在抑制陷阱态、调节表面能和钝化缺陷方面表现出良好的协同效应。此外，团队还引入了甲基铵氯化物（MACl）和苯乙基铵碘化物（PEAI）作为FAPI钙钛矿的稳定剂，这些材料能够有效促进钙钛矿在结晶过程中的相变，确保其稳定在α相。MACl的作用在于通过调整离子尺寸，降低晶格应变，从而提升钙钛矿的结构稳定性；而PEAI则通过与钙钛矿晶体的相互作用，进一步稳定其α相结构。值得注意的是，研究团队在钙钛矿墨水中加入了4%的过量铅碘，以减少电荷陷阱密度，延长载流子寿命。这种策略在提升电流密度和光电转换效率方面发挥了重要作用。

表面钝化策略同样在提升钙钛矿太阳能电池性能方面具有不可忽视的意义。通过引入表面钝化材料，如苯乙基铵氯化物（PEACl），团队成功减少了钙钛矿薄膜表面的缺陷密度，抑制了非辐射复合过程，从而提高了电荷载流子的寿命和迁移效率。实验数据显示，表面钝化不仅改善了钙钛矿薄膜的表面质量，还对整体的结晶过程产生了积极影响。X射线衍射（XRD）分析进一步证实了钝化材料的作用，其不仅降低了δ相和PbI?的峰强度，还增强了α相的信号强度，表明钝化策略在提升钙钛矿相纯度方面具有显著效果。

研究团队采用的优化策略并非单一因素的调整，而是通过综合考虑基板选择、退火工艺、添加剂引入和表面钝化等多方面因素，实现对钙钛矿太阳能电池性能的全面提升。这种多参数协同优化的方法，使得电池的集成电流密度和光电转换效率均实现了显著提高。从实验结果来看，优化后的电池在短路电流密度和开路电压方面均优于参考电池，而填充因子的提升也进一步验证了性能的改善。更重要的是，团队通过统计分析和重复实验，确认了优化策略的可重复性和稳定性，表明其不仅适用于小面积电池，也为未来的大面积模块制造提供了可行的路径。

在实际应用中，钙钛矿太阳能电池的稳定性是一个长期困扰研究者的问题。尽管研究团队在实验中取得了显著的性能提升，但其优化策略仍需进一步验证在长期运行和实际环境条件下的表现。为此，团队对优化后的电池进行了稳定性测试，结果显示其在连续光照1380小时后仍能保持超过80%的初始光电转换效率（T??），这一数据表明优化后的电池在稳定性方面取得了重要突破。然而，当前研究的电池性能仍低于世界纪录中的FAPI基钙钛矿太阳能电池（超过25%的效率），这提示未来的研究仍需在提升性能的同时，进一步优化材料体系和制造工艺，以实现更高的效率和更长的使用寿命。

从技术发展的角度来看，钙钛矿太阳能电池的优化路径仍然充满挑战。一方面，材料的稳定性问题尚未完全解决，尤其是在高温和湿热环境下，钙钛矿薄膜容易发生分解或相变，影响电池的长期运行性能。另一方面，制造工艺的可扩展性也是一个关键因素，尽管当前研究中采用的溶液工艺适用于小面积电池，但在大规模生产中仍需克服诸如均匀性、重复性和成本控制等难题。因此，未来的研究方向可能包括探索更高效的钝化材料、开发更稳定的钙钛矿配方以及优化适用于柔性基板和大面积模块的制造技术。

本研究不仅为钙钛矿太阳能电池的性能提升提供了新的思路，也为相关领域的研究者提供了宝贵的实验数据和优化经验。通过系统分析基板选择、退火工艺、添加剂引入和表面钝化等关键参数，团队揭示了这些因素在钙钛矿太阳能电池中的协同作用，并验证了其对电池性能的显著影响。这一成果不仅推动了钙钛矿太阳能电池向更高效率和更广泛应用方向发展，也为可再生能源技术的可持续进步贡献了重要力量。

从更广泛的视角来看，钙钛矿太阳能电池的优化研究具有深远的意义。首先，它有助于推动太阳能技术的多样化发展，为不同应用场景提供更加灵活的解决方案。例如，柔性太阳能电池和叠层太阳能电池等新型结构的开发，都需要对钙钛矿材料进行深入的性能调控。其次，钙钛矿太阳能电池的优化策略可以为其他类型的半导体材料提供借鉴，推动整个光伏领域的技术革新。此外，随着研究的深入，钙钛矿太阳能电池有望在未来的能源结构中占据更加重要的位置，成为替代传统硅基太阳能电池的重要选择。

综上所述，钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，具有巨大的发展潜力。然而，要实现其从实验室走向实际应用，仍需克服诸多技术障碍。本研究通过系统优化四个关键参数，成功提升了FAPI基钙钛矿太阳能电池的性能，为未来的技术进步奠定了基础。尽管当前的效率仍存在一定差距，但这一成果已经证明了钙钛矿太阳能电池在性能提升方面的巨大潜力。未来的研究应继续聚焦于材料稳定性、制造工艺优化以及大规模生产技术的开发，以推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程，使其在可再生能源领域发挥更大的作用。