双面退火以改变晶体生长方向，从而实现高效且稳定的柔性钙钛矿太阳能模块

《SCIENCE ADVANCES》：Double-sided annealing to reverse the crystallization direction for efficient and stable flexible FACs-perovskite solar modules

柔性钙钛矿太阳能电池的稳定性与效率提升研究。采用不含甲基铵的FA0.9Cs0.1PbI3薄膜，通过双面退火（DA）方法优化结晶过程，减少界面空隙并提高薄膜均匀性。DA通过上下热板温度梯度调控DMSO蒸发速率，反转相转化方向，使α相从底部开始生长，改善界面结合。小面积器件效率达22.5%，长期稳定测试显示98%效率保持率。大尺寸模块效率19.1%，经107次热循环后仍保持82%初始效率。该策略有效解决柔性钙钛矿薄膜制备中的机械应力与成分不均问题。

　　柔性钙钛矿太阳能模块（f-PSMs）在长期使用中存在稳定性问题，这主要源于甲基铵（MA）阳离子的应用。为了解决这一问题，研究团队开发了一种不含MA的钙钛矿材料——基于甲基铵与铯的混合阳离子（FA???Cs?PbI?，x ≤ 0.1）的p-i-n结构柔性模块。通过引入双面退火策略，研究人员显著改善了钙钛矿薄膜的结构连续性，从而提高了其稳定性。这项研究为高效率、高稳定性的柔性太阳能模块提供了新的技术路径。

柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）因其轻质、机械柔性和适用于低成本制造的特性，被认为是光伏领域的一项颠覆性技术。这些特性使其在消费电子、便携式电源以及建筑一体化光伏等广泛应用中具有巨大潜力。在过去十年中，f-PSCs的光电性能取得了显著进展，尤其是小面积设备的功率转换效率（PCE）已达到24%。尽管如此，其在加速老化测试中的耐久性仍落后于刚性太阳能电池。这种差异主要归因于钙钛矿材料在高温条件下的不稳定性，以及甲基铵阳离子在退火过程中可能引起的分解和反应。

为了克服这些问题，研究团队采用了一种创新的双面退火方法，通过优化退火温度和时间，成功实现了FA?.?Cs?.?PbI?从δ相和非晶相向α相的完全转化。这种转化过程的关键在于退火过程中温度梯度的调控。传统单面退火方法通常会导致退火区域的温度分布不均，进而影响钙钛矿薄膜的结晶过程。相比之下，双面退火策略通过在上下两面施加不同的温度，使得退火过程更均匀，从而减少了薄膜中的缺陷密度，提高了结晶质量。

在实验中，研究人员发现，使用双面退火技术后，钙钛矿薄膜的表面粗糙度和埋藏界面的均匀性得到了显著改善。这不仅提升了薄膜的光学性能，还增强了其与传输层之间的界面接触，从而降低了电荷传输过程中的电阻，提高了整体效率。此外，双面退火还有效减少了因退火过程中残留溶剂（如二甲基亚砜，DMSO）蒸发不完全而导致的界面空隙问题。这种空隙是导致薄膜结构不连续和模块性能下降的重要因素。

为了进一步验证双面退火策略的有效性，研究团队对不同退火条件下的薄膜进行了X射线衍射（XRD）和掠入射X射线衍射（GIXRD）分析。结果表明，双面退火能够显著改变钙钛矿的结晶方向，从传统的自上而下转变为自下而上。这一变化使得钙钛矿薄膜在退火过程中能够更均匀地生长，形成更大粒径的晶粒，同时避免了因溶剂残留而引起的结构缺陷。通过对比不同退火方法的薄膜性能，研究人员发现，双面退火不仅提高了钙钛矿薄膜的结晶质量，还增强了其在高温和低温环境下的稳定性。

在性能测试方面，双面退火技术显著提升了柔性钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。小面积的f-PSCs在双面退火条件下达到了22.5%的PCE，而传统单面退火方法只能达到19.6%。在高温环境下（85°C），双面退火的f-PSCs在1176小时的持续光照下仍能保持98%的初始效率，相比之下，单面退火的f-PSCs在360小时后就出现了明显的效率下降。这一结果表明，双面退火不仅优化了薄膜的结构，还显著提高了其在极端环境下的稳定性。

在模块层面，双面退火技术同样表现出色。研究团队将双面退火策略应用于9 cm2的柔性钙钛矿太阳能模块（f-PSMs），其在双面退火条件下达到了19.1%的开孔面积PCE，而传统单面退火的模块仅能达到16.4%。在107次温度循环测试中（-40°C至85°C），双面退火的模块仅出现了约10%的效率损失，而单面退火的模块则表现出更严重的性能退化。这一结果充分说明了双面退火在提升模块稳定性和寿命方面的优势。

双面退火技术的创新之处在于其对退火过程的温度调控。通过在上下两面施加不同的温度，研究团队能够更有效地控制DMSO的蒸发速率和方向，从而避免了因溶剂残留导致的界面空隙问题。这种策略不仅减少了薄膜中的缺陷密度，还优化了钙钛矿与传输层之间的接触质量，使得电荷传输更加高效。此外，双面退火还能减少因退火过程中温度分布不均导致的机械应力，从而防止柔性基底在高温下发生变形。

为了进一步验证双面退火策略的可行性，研究团队还对不同退火条件下的薄膜进行了荧光寿命成像显微镜（FLIM）和光致发光（PL）测量。结果表明，双面退火的薄膜在光致发光强度和荧光寿命方面均优于单面退火的薄膜。这说明双面退火不仅提高了薄膜的结晶质量，还减少了非辐射复合，从而提升了光电性能。

此外，研究团队还对双面退火策略的工业应用进行了探讨。考虑到柔性模块的尺寸较大，传统的热板退火可能难以满足大规模生产的需要。因此，研究建议采用其他加热方式，如红外光或热气体加热，以替代热板退火。这些替代方法能够在保持退火效果的同时，提高生产效率和模块的一致性。通过优化退火条件，研究团队成功实现了柔性钙钛矿太阳能模块的高效率和长寿命，为未来在建筑一体化光伏、可穿戴设备和便携式电源等领域的应用奠定了基础。

在实际应用中，双面退火技术的引入不仅提升了柔性钙钛矿太阳能电池的性能，还为大规模生产提供了新的可能性。传统的单面退火方法在高温下容易导致基底变形和界面分层，而双面退火通过均匀的温度分布和有效的溶剂控制，避免了这些问题。这种技术路径使得柔性钙钛矿太阳能模块在保持高效率的同时，具备了更长的使用寿命，从而降低了维护成本，提高了经济性。

综上所述，双面退火策略为解决柔性钙钛矿太阳能电池的稳定性问题提供了有效的解决方案。通过优化退火温度和时间，研究人员成功实现了钙钛矿薄膜的均匀结晶和结构连续性，从而显著提升了其光电性能和耐久性。这一技术不仅适用于小面积的太阳能电池，还能够推广到更大面积的模块生产中，为柔性光伏技术的商业化和广泛应用提供了坚实的基础。未来，随着更多加热方式的引入和工艺的进一步优化，双面退火技术有望成为柔性钙钛矿太阳能电池制造中的标准方法，推动该领域向更高效率和更长寿命的方向发展。