钙钛矿太阳能电池中结晶技术、界面工程与可扩展器件设计的融合

《ACS Materials Letters》：The Convergence of Crystallization, Interface Engineering, and Scalable Device Design in Perovskite Solar Cells

单结钙钛矿太阳能电池在效率提升后转向稳定性与规模化挑战，通过结晶动力学调控、界面工程优化、锡基无铅材料开发及器件架构创新实现综合突破。

　　

在不到二十年的时间里，单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）的认证功率转换效率从约4%稳步提升至超过27%，这一成就标志着现代光伏技术的重要里程碑。(1,2)然而，这一进展也促使人们从关注潜在性能转向关注实际可行性：这些性能能否实现持久性、可扩展性和可制造性？我们推出这一系列研究，旨在解决这些具体难题，重点探讨超越经验性成分调整的颠覆性策略，转向对晶体生长和界面结构的严格调控。

这一系列研究的一个主要发现是，性能的提升越来越多地来自于对晶体生长动力学的控制，而不仅仅是改变化学成分。张等人的研究阐明了溶剂选择在CsPbBr₃相变中的决定性作用，并提出使用CsBr/CH₃OH进行后处理以修复表面缺陷并抑制有害相的形成（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00275）。王等人的研究也关注生长控制，他们利用伪卤化物添加剂实现高质量准二维锡基钙钛矿，并有效抑制非辐射复合现象（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00111）。与此相关的是，其他研究探讨了梯度热退火（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c01145）和阳离子交换过程（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c01117）对相纯度的影响。这些研究共同表明，晶体生长已成为决定器件稳定性和载流子行为的关键因素。

由于大多数钙钛矿缺陷集中在薄膜表面，从而影响载流子的提取并降低器件稳定性，因此界面工程成为应对这些关键挑战的关键步骤。在这一系列研究中，我们观察到钝化策略已从单纯的缺陷抑制发展为多功能界面设计。例如，陈等人通过引入噻唑功能化的空穴传输材料实现了缺陷钝化与能级对齐（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00225）；辛等人则引入π共轭分子同时管理钙钛矿表面的缺陷状态和残余应变（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c00874）。此外，SbX₃双层（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00241）和喹诺酮类聚合物（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c00022）的研究也证实，通过多功能界面设计可以有效地解决长期以来困扰PSCs的结构和电子问题。

这一系列研究还关注无铅和窄带隙钙钛矿的开发，多篇论文展示了含锡体系的持续进展。用锡部分或完全替代铅可以有效地调节带隙并降低环境毒性，使得这些材料成为全钙钛矿串联太阳能电池的理想候选材料。康等人利用d-同型丝氨酸内酯盐酸盐（D-HLH）调节前驱体配位平衡和晶体生长动力学，从而精确控制低维相的形成（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00929）；周等人进一步通过离子液体介导的中间体形成优化了相分布（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00340）。其他研究还探讨了2D/3D锡基钙钛矿器件中的苯乙胺醋酸酯后处理（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00188）以及具有更好热稳定性的锗封装体系（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c01343）。这些研究共同表明，要在替代成分中实现竞争性性能，不仅需要替换材料，还需要精心调控氧化过程、维度结构和界面特性。

这一系列研究的另一个重点是面向应用的器件架构设计，尤其强调稳定性和可扩展性。器件堆栈的持续创新是提高PSCs效率和稳定性的关键驱动力。Baumeler等人系统总结了低成本、稳定单结器件的最佳配置（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00337）；蔡等人发现，在金属电极上涂覆SnO_x层可以防止超薄膜发生润湿现象，从而提高稳定性和性能（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.5c00897）。此外，还有研究探索了氧依赖性的NiO_x涂层对高性能器件的影响（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c02365）、表面平整化技术对单晶结构化学附着性的提升（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c02549），以及适用于刚性和柔性基底的低温CsPbBr₃加工的多功能氧化物（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c01255）。进一步的研究表明，使用富含缺陷的掺硼石墨可以实现无需空穴导体的介观器件（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c00799）。这些结构创新表明，钙钛矿光伏技术的未来在于将多种材料集成到可制造的堆栈中，以确保其完整性和长期稳定性。

这一系列研究还为领域提供了更广泛的概念指导，包括一些确立基础设计原则的研究。例如，对金属卤化物钙钛矿太阳能电池外延生长的研究（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00496）强调了晶体取向和结构一致性对器件性能的关键作用；而对高效异质结太阳能电池的2D钙钛矿材料进行理论筛选和选择（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00027）展示了预测性材料设计的价值。这些贡献有助于将研究从经验性优化转向基于原理的通用设计框架，促进关于提高稳定性和实现可扩展制造的讨论。

我们观察到，PSCs的发展已经从单纯追求最高效率转向注重稳定性和可重复性的器件设计——这一转变是通过基础材料研究、可扩展工程以及对影响器件稳定性的失效机制的深入理解共同实现的。(3)显然，没有任何单一参数（如成分、添加剂选择、电荷传输层或器件架构）能够单独解决PSCs面临的所有问题。只有通过对吸收体形成、缺陷钝化和界面稳定的协同控制，以及使整个器件堆栈适应实际的制备和运行条件，才能制造出稳定、高性能的PSCs。这一系列研究充分说明了材料创新、合理添加剂和堆栈选择以及可扩展制造之间的紧密配合对于满足工业对效率、稳定性和成本效益要求的必要性。