双时间尺度晶体工程技术实现了α-FAPbI的直接生成，从而制备出高效且无需抗溶剂的钙钛矿太阳能电池

《Journal of Energy Chemistry》：Dual-timescale crystallization engineering enabling direct α-FAPbI 3 formation for high-efficiency antisolvent-free perovskite solar cells

FAPbI3通过2-DMAP配体工程实现双时间域结晶策略，抑制δ相形成并优化α相薄膜结晶质量，使无溶剂制备的钙钛矿太阳能电池效率达25.10%，且在1500小时光照和湿热条件下保持高稳定性。

　　近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其卓越的光电性能和低成本制造优势而备受关注。在众多钙钛矿材料中，甲脒铅碘（FAPbI?）因其理想的带隙（1.48 eV）、优异的光吸收能力和良好的热稳定性，被视为最具潜力的光吸收材料之一。然而，在FAPbI?的结晶过程中，常常会出现一种不活跃的δ相，这一现象不仅降低了α相的成核效率，还导致最终薄膜中α相与δ相共存，严重影响其光电性能和工作稳定性。因此，如何有效控制FAPbI?的结晶过程，避免δ相的形成，成为提升钙钛矿太阳能电池性能的关键挑战之一。

为了解决这一问题，本研究提出了一种基于2-二甲氨基吡啶（2-DMAP）配体工程的结晶控制策略，构建了一个“快速成核-缓慢生长”的双时域结晶机制。这一方法在无需使用抗溶剂的情况下，实现了对FAPbI?结晶过程的精确调控，从而制备出高质量的α相钙钛矿薄膜。研究结果表明，2-DMAP能够促进形成一种功能性中间相（2-DMAP·PbI?·DMSO），这一中间相在退火过程中可直接转化为目标α相，同时有效抑制δ相的生成。此外，2-DMAP与Pb2?之间的强配位作用有助于减缓钙钛矿晶粒在退火过程中的过度生长，从而提升薄膜的结晶质量、减少缺陷并延长载流子寿命。

通过系统的理论计算和多维度的实验表征，本研究揭示了2-DMAP在结晶调控和缺陷钝化中的协同作用。其独特的化学结构使得2-DMAP具有较强的碱性和亲核性，这一特性使其能够有效促进FAPbI?的成核过程，并在成核阶段形成高密度的晶核。在退火阶段，2-DMAP的引入则有助于控制晶粒的生长速率，从而避免晶粒过大或分布不均的现象。这种“快速成核-缓慢生长”的策略不仅提高了钙钛矿薄膜的结晶质量，还显著改善了其光电器件的性能表现。

在实验验证方面，本研究成功制备了一种无需抗溶剂的钙钛矿太阳能电池器件，其功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）达到了25.10%，这一数值在当前抗溶剂自由的旋涂系统中属于最高水平之一。此外，该器件在ISOS-L-1标准测试条件下，经过1500小时的连续光照后，仍能保持初始效率的84.78%，表现出优异的操作稳定性。同时，该器件在恶劣的湿热环境下也展现了良好的长期稳定性，这进一步证明了2-DMAP在提升钙钛矿材料稳定性方面的潜力。

本研究的成果为大规模制备高性能、抗溶剂自由的钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。传统的抗溶剂方法虽然能够有效控制钙钛矿结晶过程，但往往伴随着复杂的工艺流程和潜在的环境问题。例如，常用的抗溶剂如氯苯（CB）和二氯苯（DCB）不仅具有较高的毒性，还可能导致薄膜均匀性不足，从而影响器件的整体性能。相比之下，基于2-DMAP的配体工程方法在简化工艺的同时，还实现了对钙钛矿结晶过程的精确调控，为绿色、可持续的钙钛矿太阳能电池制造开辟了新的路径。

从材料设计的角度来看，2-DMAP的引入为钙钛矿前驱体的结构优化提供了新的可能性。在旋涂过程中，2-DMAP能够与PbI?形成稳定的有机-无机复合物，这一复合物在退火过程中可以进一步转化为α-FAPbI?相，而不会产生δ相。这种直接的相转化路径不仅提高了成核效率，还减少了中间相的不稳定性。同时，2-DMAP的配位作用能够有效控制晶粒的生长方向，使其在退火过程中保持良好的取向排列，从而提升钙钛矿薄膜的结晶质量。

在实际应用层面，本研究提出的策略为钙钛矿太阳能电池的产业化提供了技术支持。目前，钙钛矿太阳能电池的制备工艺仍然面临诸多挑战，例如抗溶剂残留、带隙偏移以及缺陷态累积等问题，这些问题不仅影响了器件的性能，还可能对环境和人体健康造成潜在危害。而基于2-DMAP的配体工程方法则能够有效避免这些弊端，为实现绿色、高效的钙钛矿太阳能电池制造奠定了基础。

此外，本研究还探讨了2-DMAP在钙钛矿结晶过程中的多重作用机制。一方面，2-DMAP的碱性特性使其能够在旋涂过程中促进FAPbI?的快速成核，提高成核密度；另一方面，其亲核性则有助于形成稳定的中间相，为后续的相转化提供良好的基础。这种双重作用机制使得2-DMAP在调控钙钛矿结晶过程中发挥了关键作用。通过系统的理论计算和实验验证，研究团队发现2-DMAP与DMSO相比，具有更强的结合亲和力和更大的电荷极化效应，这进一步解释了其在促进成核和抑制δ相形成方面的优势。

在实验表征方面，本研究采用多种先进的技术手段对钙钛矿薄膜的结构和性能进行了全面分析。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究团队确认了2-DMAP诱导形成的钙钛矿薄膜具有高度的α相纯度，且晶粒尺寸分布均匀，避免了晶粒过大或局部相分离的问题。同时，通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和光电流测试等方法，研究团队进一步验证了2-DMAP对钙钛矿薄膜光电性能的提升作用。这些实验结果不仅为理解2-DMAP在钙钛矿结晶过程中的作用机制提供了依据，也为优化钙钛矿太阳能电池的性能提供了新的研究方向。

在工业应用方面，本研究提出的“快速成核-缓慢生长”策略具有显著的推广价值。由于该方法无需使用抗溶剂，因此在工艺流程上更加简洁，同时避免了抗溶剂残留带来的污染问题。此外，2-DMAP作为一种有机胺分子，其化学性质相对温和，易于在溶液中分散，且对环境的影响较小。这些特点使得该方法在实现钙钛矿太阳能电池的大规模生产方面具有良好的可行性。研究团队还指出，该策略的可扩展性较强，有望应用于不同类型的钙钛矿材料，为未来钙钛矿太阳能电池的多样化发展提供支持。

在材料科学领域，钙钛矿太阳能电池的研究正朝着更加环保、高效和可持续的方向发展。传统的方法虽然能够获得较高的PCE，但往往伴随着复杂的工艺流程和对环境的潜在影响。因此，开发一种无需抗溶剂、能够实现精确结晶控制的策略，成为当前研究的热点之一。本研究提出的基于2-DMAP的配体工程方法，不仅解决了δ相形成的问题，还实现了对钙钛矿结晶过程的全面优化，为钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了新的技术路径。

总的来说，本研究通过引入2-DMAP作为配体工程材料，成功构建了一种“快速成核-缓慢生长”的双时域结晶策略，为抗溶剂自由的钙钛矿太阳能电池制造提供了新的解决方案。该方法不仅显著提升了钙钛矿薄膜的结晶质量和光电性能，还克服了传统抗溶剂方法所带来的工艺复杂性和环境污染问题。随着对钙钛矿材料研究的不断深入，这种基于有机配体工程的结晶调控策略有望在未来成为钙钛矿太阳能电池制备的标准方法之一，推动该技术向更广泛的应用领域发展。