高效真空沉积钙钛矿基太阳能电池的原位生长与晶体监测

《Joule》：In situ growth and crystal monitoring for high-efficiency vacuum-deposited perovskite-based solar cells

【字体：大中小】 时间：2026年07月13日 来源：Joule 37.1

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瓦伦西亚大学分子科学研究所（ICMol），地址：西班牙帕特纳，何塞·贝尔特兰教授街2号，邮编46980

摘要

由于真空沉积法能够与大面积制造和串联集成技术相兼容，因此成为实现高性能、可规模化发展的钙钛矿太阳能电池商业化的一种极具前景的方法。在此，我们在钙钛矿层下方引入一种结构导向型纳米层，用以调节界面相互作用，抑制随机岛屿状生长，并促进钙钛矿的均匀生长。原位光致发光测量结果显示，该层对早期晶体化过程有显著影响，有助于提升晶体取向性、缓解晶格应变，并减少非辐射复合现象。进一步分析证实，界面调控确实提升了钙钛矿的结晶度及晶体生长方向性。当这种结构导向层被整合到p-i-n型钙钛矿太阳能电池中时，它能显著降低非辐射电压损耗，从而使电池的功率转换效率达到23.3%，这一数值与采用共蒸发法制备的钙钛矿太阳能电池的世界纪录相当，同时其稳定性也有了显著提升。这项研究为钙钛矿晶体化的界面控制提供了新思路，同时也证明了结构导向层是实现可规模化、高效且稳定的真空沉积钙钛矿太阳能电池的有效策略。

引言

在过去几十年里，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池受到了广泛关注，单结器件的认证功率转换效率已突破27%。¹这些优异的性能得益于钙钛矿材料出色的光电特性，比如较高的吸收系数以及较长的载流子扩散长度。²^,³^,⁴此外，通过调整钙钛矿的成分，还可以轻松改变其带隙宽度，这使其在串联太阳能电池中具有巨大应用潜力。⁵^,⁶

目前已有多种方法用于沉积钙钛矿层。其中，真空沉积法具有诸多优势，比如能够保持底层结构的完整性，还能避免溶剂残留带来的问题。⁷^,⁸常见的真空沉积方法包括共蒸发法⁹、分步沉积法¹⁰以及单源沉积法¹¹。而且，真空沉积法能够在带有纹理的基底上形成均匀且贴合度高的钙钛矿层，这对于大面积器件和串联应用而言尤为有利。¹²^,¹³^,¹⁴正因如此，真空沉积法已成为一种实用且极具吸引力的商业化制备手段，其实现的较高效率可与最先进的溶液处理法制备的钙钛矿太阳能电池的性能相媲美。¹⁵^,¹⁶

要想打造高性能的钙钛矿太阳能电池，就必须形成结晶度更高、晶体取向更佳的钙钛矿层。¹⁷更高的结晶度可以减少缺陷和陷阱状态，从而抑制非辐射复合现象；而良好的晶体取向则有助于形成更高效的载流子传输路径。¹⁸^,¹⁹这些结构特性共同影响着电池的稳定性和界面性能。²⁰由于溶液处理法操作简单，人们提出了许多提升结晶度和晶体取向的策略，包括添加特殊物质、控制溶剂去除速率、设计准二维中间相以及优化退火工艺等。²¹^,²²^,²³然而，这些策略并不适用于真空沉积法。与依赖溶剂蒸发和重结晶的溶液处理法不同，真空沉积法中的钙钛矿晶体化是通过前驱体在基底表面的吸附和扩散来实现的，这一过程受表面能、扩散障碍以及界面相互作用等因素的影响。²⁴因此，钙钛矿的早期成核和晶体取向在很大程度上取决于底层材料的性质。以往的研究已经探讨了基底温度²⁵、空穴传输层的形态和极性²⁶以及界面能垒对钙钛矿晶体取向的影响。²⁷还有些研究提出通过引入籽晶来调控成核和生长过程，从而降低缺陷密度、改善晶体取向，进而提升载流子传输效率和电池性能。²⁸^,²⁹^,³⁰不过，这些效应背后的基本机制至今仍不十分清楚，底层材料在决定钙钛矿早期晶体化过程中的作用也尚未被充分理解。

为了更深入地了解这一现象，实时分析技术对于揭示真空沉积钙钛矿的生长行为至关重要。尤其是原位光致发光分析方法，能够有效监测层沉积过程中的缺陷演变情况以及载流子传输特性。由于光致发光强度和量子产率与缺陷密度和非辐射复合现象直接相关，原位光致发光分析可以让人们直接追踪晶体化的动态变化过程。³¹^,³²借助传统离位分析方法则无法获得这类信息。

在本研究中，我们在钙钛矿活性层下方引入了一种结构导向层，用以调控钙钛矿的晶体取向并抑制缺陷的产生。通过将原位光致发光检测系统安装在真空沉积腔内，我们直接观察到了结构导向层的表面形态及其与界面的相互作用对真空沉积钙钛矿早期成核和生长动力学的影响。这一改进显著提升了钙钛矿的晶体取向性，降低了晶格应变，同时还增强了载流子传输性能。得益于此，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率及其稳定性都得到了明显提升。这些研究成果为设计出高性能的真空沉积钙钛矿太阳能电池提供了重要参考，而且所提出的这种方法也具备应用于大面积、高效率批量生产的潜力。

章节节选

结果与讨论

为探究结构导向层的作用，我们在玻璃/氧化铟锡/[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（MeO-2PACz）基底上沉积了厚度为10纳米的碘化铯（CsI）和碘化铅（PbI₂）层（见图1A）。选择这两种材料是因为它们分别是卤化物盐前驱体和金属卤化物前驱体，在钙钛矿制备过程中应用极为广泛，且易于形成固体薄膜。³³随后，我们又使用了碘化甲铵（MAI）

材料

所有化学品均直接使用，无需进一步纯化。MeO-2PACz和MAI由Lumtec公司提供；PbI₂微球和铜粒则购自Alfa Aesar公司；CsI、EDAI₂、FAI和C₆₀分别从东京化学工业公司、Sigma-Aldrich公司、GreatCellSolar公司以及CreaPhys GmbH公司购买。

太阳能电池的制备

所研究的p-i-n型钙钛矿太阳能电池的结构为玻璃/氧化铟锡/MeO-2PACz/FA_0.86MA_0.14PbI₃/EDAI₂/C₆₀/二氧化锡/铜。首先，将玻璃/氧化铟锡基底依次用洗涤剂、去离子水清洗

铅电极接触层

如需更多相关信息或资源，可联系主要联系人亨克·J.博林克（henk.bolink@uv.es）。

材料的可用性

本研究并未使用任何新的独特试剂。

数据与代码的可用性

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本论文中使用的主要数据及代码已存储在Zenodo平台上：https://doi.org/10.5281/zenodo.20392840.
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其他所有数据均可在正文或补充材料中找到。
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如需重新分析本文中的数据，相关补充信息可向主要联系人获取

致谢

作者们感谢西班牙电信与数字基础设施秘书处以及经济事务与数字转型部在“欧洲复苏、转型与韧性计划”框架下的支持，相关资金由欧盟的NextGenerationEU项目提供，项目编号为TSI-069100-2023-0012-PERTE-chip。此外，西班牙科学与创新部以及西班牙国家研究机构也给予了支持，项目编号为PID2024-159087OB-I00

作者贡献

概念构思：Y.C.、V.H.和H.J.B.；实验方法设计：Y.C.、V.H.、M.S.和K.P.S.Z.；实验研究工作：Y.C.、V.H.、M.S.、J.E.S.A.、C.C.、L.G.-E.、C.R.C.和J.C.；初稿撰写：Y.C.、V.H.、M.S.和H.J.B.；论文修订与润色：Y.C.、V.H.和H.J.B.；资金筹集：C.R.C.、M.S.和H.J.B.；整体指导：H.J.B.

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

摘要

引言