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本文聚焦钙钛矿太阳能电池稳定性难题，探究 TEMPO 体相钝化结合快速光子退火（FIRA）对甲脒碘化铅（FAPI）器件的优化作用。结果表明，0.6 秒红外闪蒸处理使器件效率超 20%，经 4296 小时应力测试仍保留超 90% 效率，为工业化生产耐用柔性太阳能板提供新路径。
研究背景与目标
金属卤化物钙钛矿因高功率转换效率（PCE）成为下一代薄膜太阳能电池的潜力材料，其中甲脒碘化铅（FAPI）的黑色相因较高 PCE 和热稳定性备受关注，但其室温下易发生相转变，且晶粒边界缺陷导致长期稳定性不足，限制了实际应用。传统阳离子合金化等方法虽能优化结构，却可能引入新缺陷。快速退火技术因适合大规模生产而被看好，其中闪蒸红外退火（FIRA）可在亚秒级控制结晶过程，但仍需进一步钝化缺陷以提升器件寿命。本研究引入 2,2,6,6 - 四甲基哌啶氧基（TEMPO）作为体相钝化剂，结合 FIRA 技术，旨在改善 FAPI 钙钛矿薄膜的结晶质量、降低缺陷密度，从而提升器件的光电性能和长期稳定性。
材料与方法
器件制备
采用 NIP 架构，在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上依次制备紧凑层 TiO2、介孔层 TiO2。FAPI 前驱体溶液（含 FAI 和 PbI2，浓度 1.5 M，溶剂为 DMF/DMSO 3:1）中添加 1 wt% TEMPO，通过旋涂成膜后，经 0.6 秒 FIRA 处理（640 ms 红外脉冲），再于 100°C 烘干去除溶剂。空穴传输层采用 spiro-OMeTAD，顶部蒸镀 80 nm 金电极。对照样品为未添加 TEMPO 的纯 FAPI 器件。
表征手段
- 光学与形貌分析：利用光学显微镜结合香农熵（Shannon entropy）分析薄膜结晶均匀性，扫描电子显微镜（SEM）观察截面和表面形貌，轮廓仪测量表面粗糙度（Ra）。
- 光电性能测试：通过电流 - 电压（J-V）曲线、入射光子 - 电流效率（IPCE）光谱评估器件性能，稳态功率输出（SPO）测试在 1 太阳、35°C 惰性气氛下进行长期稳定性监测。
- 缺陷表征：时间分辨光致发光（TRPL）和光致发光量子产率（PLQY）分析载流子复合动力学，正电子湮没寿命谱（PALS）定量检测 vacancy 缺陷浓度及分布。
关键结果
薄膜质量与结晶动力学
添加 TEMPO 的 FAPI 薄膜香农熵值从 0.92 降至 0.85，表明结晶均匀性显著提升。SEM 显示，TEMPO 处理后的薄膜晶粒排列更规整，表面粗糙度（Ra）从 78 nm 降至 56 nm，减少了界面缺陷和非辐射复合中心。理论分析表明，TEMPO 通过与 Pb2+和 FA+离子相互作用，形成瞬态复合物作为成核中心，调控结晶动力学，抑制各向异性生长，促进均匀致密的薄膜形成。
器件光电性能提升
FAPI-TEMPO 器件平均 PCE 达 19%，冠军器件 PCE 为 20.16%，显著高于纯 FAPI 器件的 17%。J-V 曲线显示，开路电压（Voc）从 1020 mV 提升至 1070 mV，填充因子（FF）从 69% 增至 73%，短路电流密度（Jsc）略有改善。IPCE 光谱与 J-V 曲线吻合，证实全波长光转换效率的均衡提升，归因于薄膜均匀性和载流子传输效率的优化。
长期稳定性验证
根据国际太阳电池可靠性测试标准（ISOS），FAPI-TEMPO 器件在 4296 小时连续光照和热应力下，仍保留超 90% 初始 PCE，平均降解率显著低于纯 FAPI 器件。在 85°C 高温和 35% 相对湿度条件下，TEMPO 处理的薄膜仅出现轻微点缺陷，而纯 FAPI 薄膜因相不稳定导致性能明显下降。PALS 结果显示，两类样品的 vacancy 缺陷密度相近（约 1×1015 cm-3），但 TEMPO 主要钝化晶粒边界和表面缺陷，这些缺陷是长期降解的主要诱因，而 PALS 因探测深度限制未检测到晶界变化，间接证实 TEMPO 对晶界缺陷的有效抑制。
缺陷机制与分子作用
TRPL 测得 FAPI-TEMPO 载流子寿命（700 ns）显著长于纯 FAPI（237 ns），PLQY 提升 2.5%，表明非辐射复合减少。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）检测到 TEMPO 衍生物（TEMPOH）富集于薄膜底部界面，印证其在成核阶段调控结晶的作用。X 射线光电子能谱（XPS）深度剖析显示，TEMPO 未显著改变元素分布，仅轻微影响界面离子扩散，进一步说明其通过物理作用而非化学改性提升稳定性。
结论与展望
本研究通过 TEMPO 体相钝化与 FIRA 技术的结合，成功制备了高效稳定的 FAPI 钙钛矿太阳能电池，首次证明晶界缺陷而非晶格本身是长期降解的主因，且可通过无溶剂、卷对卷兼容的快速工艺实现钝化。该方法使器件效率突破 20%，并在超 4200 小时运行中保持高性能，为钙钛矿太阳能板的工业化生产奠定了基础。未来挑战包括铅替代或封装、大面积均匀性控制及户外耐久性认证，但本研究已明确了通往商业中试线的技术路径，有望推动低成本、柔性太阳能板在建筑和移动能源领域的应用。
