《Nature Communications》：Scalable solution soaking quenching technique unlocks efficient and durable wide bandgap perovskite solar modules
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研究人员为应对大面积加工导致的宽带隙混合卤化物钙钛矿薄膜结晶异质性、表面缺陷和卤化物相分离等问题，引入了一种受工业启发的解决方案浸泡淬火技术。该方法通过在SrI2/异丙醇溶液中浸泡热刮涂的薄膜，实现了快速表面重构与均匀钝化，抑制了卤化物光致相分离。最终，小面积器件效率达22.03%，10.13 cm2组件效率达20.32%，并展现出优异的操作稳定性，为便携式充电器、建筑光伏一体化及高效全钙钛矿叠层电池等应用铺平了道路。
随着全球对清洁能源需求的日益增长，太阳能电池技术正朝着更高效率和更低成本的方向飞速发展。其中，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其优异的光电性能和可溶液加工的特性，成为光伏领域一颗耀眼的新星。特别是宽带隙钙钛矿（Wide-bandgap Perovskite），它在制备半透明电池、与硅电池组成高效叠层系统（Tandem Systems），以及应用于建筑光伏一体化（Building-integrated Photovoltaics, BIPV）、农光互补（Agrivoltaics）和便携式充电器等领域展现出巨大潜力。然而，梦想照进现实的道路上总是布满荆棘。当研究人员试图将这些实验室里性能优异的材料放大、制成大面积组件（Modules）时，问题便接踵而至。大面积加工（如刮涂，Blade-coating）会加剧薄膜的结晶不均匀性，产生更多的表面缺陷，更糟糕的是，会导致一种被称为“卤化物相分离”（Halide Phase Segregation）的现象——在光照下，原本均匀混合的卤化物离子（如碘离子I-和溴离子Br-）会发生迁移和分相，严重损害电池的效率和长期稳定性。传统的旋涂（Spin-coating）钝化方法在应对大面积薄膜时显得力不从心，难以实现均匀的界面控制。那么，有没有一种方法，能够像给钢铁淬火一样，快速、均匀地“处理”这些娇嫩的大面积钙钛矿薄膜，同时解决多重难题，将它们推向实用化呢？这正是本研究要回答的核心问题。
为了突破上述瓶颈，研究团队独辟蹊径，从工业淬火工艺中汲取灵感，开发了一种名为“溶液浸泡淬火”（Solution-soaking Quenching）的新技术。他们的核心思路是：将刚刚用热刮涂法制备好的、面积约30 cm2的、还处于“热”状态的宽带隙钙钛矿薄膜，迅速浸入冰冷的SrI2（碘化锶）异丙醇溶液中。这一“热”遇“冷”的剧烈过程，如同淬火，能诱导薄膜发生快速的表面重构（Surface Reconstruction）和均匀的表面钝化（Surface Passivation）。
本研究所采用的主要关键技术方法包括：大面积薄膜制备技术（热辅助刮涂法，用于制备约30 cm2的均匀钙钛矿前驱体薄膜）、溶液浸泡淬火处理技术（将热薄膜浸入特定组成的冷溶液中以实现表面修饰）、材料与器件表征技术（如光致发光成像用于评估薄膜均匀性，X射线衍射用于分析晶体结构，原子力显微镜用于测量表面形貌，以及电化学阻抗谱、空间电荷限制电流法等电学表征），以及标准的光伏器件制备与测试流程（包括各功能层的沉积、电极蒸镀，并在标准太阳光模拟器下进行电流-电压特性测试以获取光电转换效率、填充因子等关键参数，并开展最大功率点追踪下的长期稳定性测试）。
研究结果
均匀的表面重建和钝化
通过将热刮涂的钙钛矿薄膜浸入冷的SrI2/异丙醇溶液，该方法实现了快速的表面反应。扫描电子显微镜和原子力显微镜图像显示，处理后的薄膜表面更加光滑、致密，粗糙度显著降低。X射线衍射图谱表明，薄膜的结晶度得到改善。更重要的是，光致发光成像显示，大面积薄膜的光致发光信号强度和均匀性都大幅提升，证明该技术能有效修复表面缺陷，实现均匀的钝化效果。
抑制卤化物相分离和优化能级排列
紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱分析表明，经过溶液浸泡淬火处理的薄膜，在持续光照下，其光吸收边和发光峰位保持稳定，没有出现代表卤化物相分离的特征红移或新峰。这说明Sr2+的梯度掺入有效稳定了晶格中的卤化物离子，抑制了光诱导的相分离。此外，紫外光电子能谱和开尔文探针力显微镜测量显示，处理后的薄膜表面功函数发生改变，与电子传输层形成了更优化的能级对齐，这有利于电荷的高效提取。
高性能光伏器件
基于此技术制备的无甲胺（Methylammonium-free）宽带隙钙钛矿太阳能电池（活性面积0.04 cm2）获得了高达22.03%的光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）。更重要的是，当将技术应用于制备大面积组件时，一个活性面积为10.13 cm2的微型组件实现了20.32%的效率，这是当时同类宽带隙钙钛矿组件中报道的最高效率之一。器件在最大功率点（Maximum Power Point, MPP）跟踪、持续标准太阳光照射下的稳定性测试中表现出色，在经过相当长的时间（具体时长未在摘要中给出）后仍能保持初始效率的很高百分比，证明了其优异的操作稳定性（Operational Stability）。
广泛的应用演示
为了展示该技术的通用性和实用性，研究者将其应用于不同的宽带隙钙钛矿组分，均取得了良好的效果。此外，他们还成功制备了用于便携式充电器的组件、半透明组件（其双面等效效率达到18.41%）以及全钙钛矿叠层电池窗口，后者实现了超过27%的效率，凸显了该技术在下一代高性能光伏应用中的巨大潜力。
结论与讨论
本研究成功开发了一种受工业启发的、可规模化的溶液浸泡淬火技术，为解决宽带隙钙钛矿太阳能组件产业化中的关键挑战——即大面积加工导致的结晶不均、缺陷增多和卤化物相分离——提供了高效且通用的解决方案。该技术通过将热薄膜浸入含SrI2的冷溶液中，实现了快速的、均匀的表面重构与钝化。Sr2+的梯度掺入不仅钝化了表面缺陷，改善了薄膜形貌和结晶质量，还通过稳定晶格有效抑制了有害的卤化物光致相分离，并优化了器件的能级结构。
这些协同效应最终转化为了卓越的光伏性能：小面积电池效率突破22%，而超过10 cm2的组件效率也超过了20%，且都具备出色的长期运行稳定性。更重要的是，该方法不局限于特定配方，适用于多种宽带隙钙钛矿体系，并已成功演示于便携充电、半透明建筑光伏和高效叠层电池等多种实用场景。
这项工作的意义重大。它不仅仅报道了一系列高性能的器件数据，更重要的是提出并验证了一种普适性强的工艺学思路，将工业淬火的概念创新性地应用于钙钛矿薄膜处理中，为实现高效率、高稳定性、大面积钙钛矿光伏组件的低成本制造开辟了一条切实可行的新路径。该研究成果已发表在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上，为钙钛矿光伏技术的产业化进程注入了强劲动力。
