溶液-真空混合批量制备2D/3D钙钛矿子模块的高效精准解决方案

针对溶液沉积钙钛矿薄膜存在针孔缺陷、真空沉积效率低的问题，研究团队开发了溶液-真空混合批量制备技术，通过全真空蒸发在溶液沉积的3D体相薄膜上精准沉积纳米级二维(2D)覆盖层。该技术实现了30cm×30cm无针孔钙钛矿子模块的制备，获得22.10%的冠军效率(认证效率21.79%)，为钙钛矿光伏的大规模生产提供了新思路。

　　

在追求清洁能源的道路上，钙钛矿太阳能电池(PSCs)犹如一匹黑马，其最新认证效率已突破27%。然而，当科学家们试图将这种实验室奇迹推向商业化时，却遭遇了"放大即失效"的魔咒——大面积钙钛矿太阳能模块(PSMs)的效率总会断崖式下跌。究其原因，传统溶液法制备的钙钛矿薄膜表面不可避免会出现纳米级甚至微米级的针孔缺陷，而真空沉积虽然精确却效率低下，这种"鱼与熊掌"的困境严重制约着钙钛矿光伏技术的产业化进程。

面对这一挑战，上海交通大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们巧妙地将溶液法的快速加工优势与真空沉积的精确控制特点相结合，开发出一种"溶液-真空混合批量制备"技术。这项研究就像为钙钛矿薄膜量身定制了一件"纳米防护服"——先在溶液沉积的甲脒铅碘(FAPbI₃)钙钛矿薄膜上真空蒸发碘化铅(PbI₂)，再沉积n-己基溴化铵(HABr)，通过精确控制两者比例，在纳米尺度构建出成分可调的二维钙钛矿覆盖层，不仅完美修复了表面针孔，还实现了对缺陷的有效钝化。

研究团队主要采用了四项关键技术：1)溶液法批量沉积3D钙钛矿薄膜；2)真空蒸发精确控制PbI₂和HABr的纳米级沉积；3)通过调节HABr:PbI₂摩尔比(x=2-4)精准调控2D钙钛矿的化学组成和n值；4)结合多种表征手段(GIWAXS、HR-TEM、KPFM等)系统分析薄膜性能。这些技术犹如一套精密的"组合拳"，实现了从材料制备到性能表征的全流程优化。

研究结果部分展示了这项技术的精妙之处：

精确沉积2D钙钛矿覆盖层
通过真空蒸发控制，研究人员实现了7nm厚PbI₂层的精确沉积。当HABr:PbI₂比例为3:1时，形成了理想的n=1和n=2混合相2D钙钛矿(HA₂PbI₂Br₂和HA₂FAPb₂I₅Br₂)。原位GIWAXS分析揭示了热退火过程中2D钙钛矿从n=1向n=2的转化过程，这种动态调控能力为界面工程提供了新思路。

2D钙钛矿覆盖薄膜的表征
PL mapping显示x=3样品的荧光强度比对照组提高3倍以上，TRPL测得载流子寿命显著延长。KPFM测试表明2D覆盖层使表面电势分布更均匀，界面电场增强，有效抑制了非辐射复合。特别值得一提的是，这种真空沉积的2D层能完美修复微米级针孔，这是传统溶液后处理无法实现的。

器件性能与表征
基于该技术制备的小面积PSC获得了25.70%的冠军效率(V_oc=1.165V，J_sc=25.98mA/cm²，FF=84.92%)。EQE_EL高达8.64%，表明界面非辐射复合显著降低。更令人振奋的是，30cm×30cm大面积子模块(有效面积663cm²)实现了22.10%的效率(认证值21.79%)，这是当时报道的大面积钙钛矿模块的最高效率之一。

这项研究的意义不仅在于创造了效率记录，更在于提出了一种可编程的技术路线。通过精确控制2D覆盖层的化学组成和n值，实现了对界面能带结构的"原子级装修"。深度依赖UPS分析显示，2D/3D异质结形成了梯度能带弯曲，这种精心设计的能带工程既促进了空穴传输，又阻挡了电子回流。在稳定性方面，2D覆盖层就像一道防潮屏障，使未封装器件在25℃/25%RH条件下保持95.5%的初始效率超过1000小时，在65℃最大功率点跟踪下运行1000小时后仍保持90%效率。

Yingping Fan、Zhixiao Qin等研究人员的工作为钙钛矿光伏的产业化提供了关键解决方案。这种"溶液求效率，真空保精度"的混合策略，既满足了量产对加工速度的要求，又保证了纳米级界面的精确控制，成功破解了钙钛矿光伏"放大即失效"的产业化瓶颈。正如作者所言，这项研究"为高效大面积钙钛矿光伏的标准化生产和实际推广提供了一条可行且可编程的技术路线"。