自缓冲分子迁移策略实现高湿度环境下钙钛矿薄膜的可控制备及高效太阳能电池应用

针对钙钛矿中间相薄膜在环境空气中因快速分子交换导致结晶不可控的难题，研究人员开发了基于n-丁基溴化铵（BABr）屏蔽层的自缓冲分子迁移策略，显著拓宽了钙钛矿成核时间和湿度耐受窗口。该研究实现了在50-60%相对湿度下制备效率达22.09%的1.68 eV带隙钙钛矿太阳能电池（PSCs），并验证了该策略在1.53 eV和1.77 eV带隙体系中的普适性，为环境空气制备高性能PSCs提供了新思路。

　　

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其26.7%的认证效率成为光伏领域的研究热点，但传统制备工艺需严格控湿的氮气手套箱环境，大幅增加生产成本。更棘手的是，钙钛矿中间相薄膜暴露于环境空气时，会与水分发生自发分子交换，导致快速结晶和PbI₂杂质生成。虽然适度湿度有助于改善薄膜质量，但现有技术对湿度（30-40%）和退火时效的苛刻要求，严重制约了规模化生产。

为解决这一难题，Mei Yang团队在《Nano-Micro Letters》发表研究，提出自缓冲分子迁移策略。通过在钙钛矿中间相表面旋涂BABr屏蔽层，有效延缓了水分渗透和溶剂逃逸的分子交换过程。该策略使1.68 eV带隙钙钛矿薄膜在60-80%高湿环境下仍能获得纯相、大晶粒（750 nm）和低缺陷的优质薄膜，相应n-i-p结构PSCs实现22.09%的纪录效率（RS），且在50-60%湿度窗口内保持21.72±0.24%的平均效率。

关键技术包括：1）BABr屏蔽层旋涂工艺优化；2）原位荧光散射吸收光谱和PL监测结晶动力学；3）XRD与GIWAXS分析相变过程；4）空间电荷限制电流（SCLC）评估缺陷密度；5）最大功率点跟踪（MPPT）测试器件稳定性。

【自缓冲分子迁移对中间相的影响】

通过接触角测试证实BABr层使水接触角从33.67°增至57.78°。原位称重和FTIR显示，屏蔽层使中间相薄膜在120分钟环境暴露后仍保留DMF/NMP溶剂分子，显著延缓了分子交换。XRD证实屏蔽层抑制了PbI₂杂质峰（2θ=12.79°）的形成。

【薄膜质量与稳定性提升】

SEM显示目标薄膜晶粒尺寸达750 nm，且无PbI₂杂质。TRPL显示载流子寿命从0.317 μs（对照组）降至0.097 μs，表明界面传输增强。在85℃/60 min湿热老化后，目标薄膜的PbI₂分解量仅为对照组的1/3。XPS证实BA⁺通过N-H···I/Br氢键调控Pb²⁺配位环境。

【结晶动力学调控】

原位PL将结晶分为两阶段：I阶段（水分渗透主导）目标样品耗时216秒，较对照组延长125%；II阶段（溶剂逃逸主导）目标样品仍以成核为主。SEM证实延长环境暴露时间（30分钟）可使目标样品成核位点增加50%。

【器件性能突破】

在50-60%湿度下，目标PSCs获得1.231 V高V_oc和82.16%的FF。TPC/TPV测试显示载流子提取时间缩短至1.90 μs，复合寿命延长至0.230 ms。该策略还适用于MACl、CF₃-PEACl等屏蔽材料，并拓展至1.53 eV/1.77 eV体系，分别实现25.23%和19.09%的RS效率。

该研究通过物理屏蔽与化学钝化的协同作用，突破了环境空气制备PSCs的湿度限制，将工艺窗口拓宽至30-80% RH和10-55分钟。提出的分子迁移调控机制为溶液法半导体薄膜的可控制备提供了普适性策略，有望推动钙钛矿光伏技术的产业化进程。