钙钛矿太阳能电池在效率和稳定性方面取得了巨大成功,但对高通量和低成本效益解决方案的需求仍未得到解决。目前,钙钛矿活性层的印刷速度大多在1.2 m/min以下,远落后于其他功能层的制备速度,这种速度上的不匹配严重限制了钙钛矿光伏高通量产业化。此外,大多数经过认证的高效率器件均是使用基于二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)的FAPbI3 的钙钛矿前驱体溶液进行旋涂而实现的。然而,这类溶液往往存在存储稳定性差、咖啡环效应和印刷速度低等问题,并且在高速印刷过程中,这些现象会更加严重。因此,开发一种具有宽印刷速度窗口的稳定前驱体溶液,用于大面积制造高效、稳定的FAPbI3钙钛矿太阳能电池组件,对于钙钛矿光伏产业化非常重要。 为解决这一问题,苏州大学李永舫院士团队李耀文教授和杨甫副教授等人提出一种稳定的钙钛矿前驱体油墨设计,通过精准调控溶液的配位作用与挥发速率,显著提高了前驱体油墨的储存稳定性,并能够精准调控钙钛矿涂布过程中的结晶过程,可在空气氛围下宽速度窗口(0.3 m/min 到18 m/min)印刷高质量大面积FAPbI3 钛矿薄膜。
与常用的DMF/DMSO前驱体油墨相比,新设计的前驱体油墨的饱和蒸气压提高了20倍以上,有利于涂层过程中均匀快速的挥发。同时,前驱体油墨在老化一段时间后仍保持胶束的集中分布,大大提升了其油墨的储存稳定性。 该前驱体油墨还可以抑制三相接触线的钉扎作用,促进快速的非均相成核,且更快的成核速率也增加了钙钛矿前驱体的沉降速率,这有助于降低毛细管力对径向输运速率的影响,抑制咖啡环的生成,从而制备出高质量无针孔的大面积FAPbI3钙钛矿薄膜。 该前驱体油墨通过降低δ-FAPbI3相形成的势垒,促进中间薄膜中纯相δ-FAPbI3的生成,抑制了α-FAPbI3相钙钛矿复杂的成核途径,促进了α-FAPbI3相钙钛矿的定向结晶。 最终,基于印刷速度为0.3 m/min制备的纯相FAPbI3钙钛矿薄膜的小面积钙钛矿太阳能电池 (0.062 cm2)和大面积组件 (15.64 cm2)的能量转换效率 (PCE)分别达到了24.32%和21.90%,而当印刷速度提高到18.0 m/min时,器件的PCE可以保持在23.76%。 综上所述,通过控制溶剂挥发和钙钛矿的结晶,抑制咖啡环和复杂中间相的新型油墨设计,成功实现了高质量大面积纯相FAPbI3钙钛矿薄膜和稳定钙钛矿前驱体油墨的宽速度窗口印刷。纯相FAPbI3钙钛矿膜具有无针孔、均匀的形貌,降低了薄膜的缺陷密度,提高了离子迁移活化能,为钙钛矿太阳能电池的升级和工业化生产铺平了道路。 论文信息 Volatile Perovskite Precursor Ink Enables Wide Speed Window Printing of Phase-Pure FAPbI3 Perovskite Solar Cells and Modules in Ambient Atmosphere Linhao Yuan, Xining Chen, Xianming Guo, Shihao Huang, Xiaoxiao Wu, Yunxiu Shen, Hao Gu, Yujin Chen, Guixiang Zeng, Hans-Joachim Egelhaaf, Christoph J. Brabec, Fu Yang, Yaowen Li, Yongfang Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202316954