通过双界面调控介导铅锡钙钛矿的自发结晶，用于无 DMSO 及无淬灭铅锡钙钛矿太阳能电池及其串联器件

《Nano Energy》：Mediating spontaneous crystallization of Pb-Sn perovskites by dual-interface management for DMSO and quenching-free Pb-Sn perovskite solar cells and their tandems

　　

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  开发了一种双界面管理策略来控制 Pb-Sn 钙钛矿的自发结晶
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  采用离子液体气氛（AS）和二维钙钛矿来修饰界面
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  无 DMSO 和无淬灭的 Pb-Sn 钙钛矿太阳能电池产生了 22.06% 的最佳 PCE
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  全钙钛矿叠层器件达到 28.11% 的 PCE，稳定输出 PCE 为 27.8%

引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光伏特性、低成本、低能耗和广泛的应用场景而受到越来越多的关注。[1], [2], [3], [4] 迄今为止，高效的 PSCs 主要采用铅（Pb）基钙钛矿材料，最新的光电转换效率（PCE）已超过 28.1%，表明钙钛矿光伏技术具有巨大的前景。[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] 然而，Pb 基钙钛矿具有相对较宽的带隙（~1.6 eV），使其无法利用太阳能中的红外低能光子，[12], [13], [14] 这从根本上将基于 Shockley-Queisser (S-Q) 理论的单结 PSCs 的理论 PCE 限制在 ~31%。

为了解决 PCE 限制问题，构建叠层太阳能电池是一条有前景的途径，关键在于开发高效的窄带隙（NBG）子电池以充分利用红外低能光子，这可以将叠层器件的阳光光谱响应扩展到近红外范围，从而实现超过 44% 的理论 PCE。[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] 通过部分用 Sn 替代 Pb 形成的 Pb-Sn 混合钙钛矿具有 1.2 - 1.3 eV 范围内的窄带隙，是作为全钙钛矿叠层太阳能电池（APTSCs）底子的理想候选材料。[22], [23], [24], [25], [26] 迄今为止，通过合理优化 Pb-Sn 薄膜的界面特性，[27], [28] 单结 Pb-Sn PSCs 的 PCE 已达到 24.9%，其 APTSCs 实现了 30.6% 的 PCE，[3] 展示了 APTSCs 巨大的发展前景。[29]

目前，通过溶液工艺制备高质量的 Pb-Sn 薄膜，通常采用溶剂淬灭技术来快速提取前驱体溶剂（即二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO））并促进均匀结晶，这些淬灭技术包括反溶剂淬灭、气体淬灭和真空淬灭。[15], [30], [31], [32] 尽管在沉积高质量的 Pb-Sn 薄膜方面有效，但这些溶剂淬灭技术存在关键缺陷：(i) 与 Sn²⁺ 结合能力更强的 DMSO 可以氧化 Sn²⁺，[33] 这使得对成膜环境的要求严格并诱导缺陷形成，从而阻碍载流子传输，诱导离子迁移，并加速结构降解。[34], [35], [36] (ii) 淬灭技术，特别是反溶剂淬灭，由于淬灭过程中过饱和度过快，不利于 Pb-Sn 薄膜的结晶控制。[37] (iii) 常用的前驱体溶剂和反溶剂（氯苯和甲苯）有毒，可能对环境和安全造成风险，这引发了对 PSCs 商业化的关键担忧。[38], [39] 因此，目前迫切需求开发一种无 DMSO 和无淬灭的方法来生产用于高效 PSCs 的高质量 Pb-Sn 薄膜。[40], [41]

在没有 DMSO 和溶剂淬灭辅助的情况下，旋涂过程中 Pb-Sn 钙钛矿从前驱体溶液中的结晶是一种热力学自发行为，晶体形成受湿膜随着溶剂蒸发而产生的过饱和度支配。没有淬灭过程，溶剂的逐渐蒸发从湿膜的上表面开始，形成从上到下的浓度梯度。这导致表面上的晶体种子快速成核，但从上到下的随机生长， resulting in discontinuous film with large amount of bulk and interface defects.[42] 解决这个问题的关键在于合理控制薄膜表面的均匀自发成核并引导从上到下的有序晶体生长。[43] 我们之前的工作表明，离子液体和二维（2D）钙钛矿能够控制通过涉及淬灭的方法制备的 Pb-Sn 薄膜的晶体生长，[44], [45], [46], [47] 这为控制 Pb-Sn 钙钛矿薄膜的自发结晶提供了潜在工具。

在本工作中，我们开发了一种双界面管理策略来控制 Pb-Sn 薄膜（Cs_0.05FA_0.65MA_0.3Pb_0.5Sn_0.5I₃）的自发结晶。系统研究了 MAAc 气氛（AS）和二维钙钛矿在调节自发结晶和增强界面质量方面的关键作用。优化后，Pb-Sn PSCs 产生了 22.06% 的最佳 PCE，这是迄今为止无 DMSO 和无淬灭的 Pb-Sn PSCs 的最高值。未封装器件在 ISOS-D-1 条件下 1600 小时后保留了其初始效率的 95%，在 ISOS-L-1 条件下 1300 小时后保留了 80%。此外，构建的四端（4 T）APTSCs 达到 28.11% 的 PCE，稳定输出 PCE 为 27.8%。

章节片段

结果与讨论

图 1a 显示了本工作采用的无 DMSO 和无淬灭的 Pb-Sn 薄膜沉积过程，整个过程在室温下的手套箱中进行（详细信息见支持信息）。在旋涂的第 10-20 秒，通过含有 MAAc 的预热培养皿将 MAAc 气氛施加在旋转薄膜顶部，观察到薄膜颜色变化延长，表明 Pb-Sn 钙钛矿的结晶推迟（补充视频）。

结论

总之，我们展示了一种可行的双界面管理技术，通过引入 MAAc 气氛和二维钙钛矿来实现无 DMSO 和无淬灭的高质量 Pb-Sn 钙钛矿薄膜制备。研究发现，MAAc 与 Pb-Sn 钙钛矿前驱体相互作用以推迟成核并诱导 Pb-Sn 晶体的垂直生长，而二维 F-PEA₂PbI₄ 晶种提供均匀的成核位点并增强 Pb-Sn 薄膜的埋藏界面。它们的协同效应导致

CRediT 作者贡献声明

Weiyin Gao: 写作 – 审查与编辑，调查，资金获取，概念化。 Chenxin Ran: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。 Xiaojia Zhao: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，方法论，调查，形式分析。 Yonghua Chen: 写作 – 审查与编辑，监督，调查，概念化。 Fan Yang: 方法论，形式分析。 Yang Lan:

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

X.Z. 和 W.G. 对本工作贡献同等。这项工作得到了国家自然科学基金（批准号 52372226, 52202300, 62350013, 52303325）、国家重点研发计划（2023YFB3608900）、陕西省重点研发计划（2026CY-YBXM-723）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010918）、深圳市科技计划（批准号 JCYJ20240813150819026）以及基础研究

Xiaojia Zhao|Weiyin Gao|Chen Zhang|Zelin Wang|Yang Lan|Fan Yang|Changbo Li|Lingfeng Chao|Changshun Chen|He Dong|Yonghua Chen|Chenxin Ran