武汉理工大学黄福志&程一兵&卜童乐最新Nature energy:添加剂辅助液相介质退火缓解钙钛矿太阳能电池应力并提升稳定性
退火是制备高品质钙钛矿晶体不可或缺的工艺,但该过程会在材料内部引入应力,严重损害钙钛矿太阳能电池的稳定性。武汉理工大学黄福志&程一兵&卜童乐研究团队将1,4 - 丁烷磺内酰胺(BSA) 作为添加剂引入钙钛矿前驱体薄膜以解决这一难题。退火过程中,该添加剂发生熔融液化,诱导晶界重构与晶体重排,最终生成大尺寸、无内应力的钙钛矿晶粒;同时液态介质还可助力空穴传输自组装分子在钙钛矿底层实现共形包覆沉积,进一步大幅缓解拉伸应力。优化后的电池光电转换效率达26.79%;经 ISOS-V-2 标准老化测试 1000 h 后仍保持初始效率的 95%;在 20 ℃暗态与 85 ℃光照的昼夜循环测试 1500 h 后,效率保有率高达 98%。图 1a:对比传统退火与添加剂辅助液相介质退火的应力演变机理。传统退火易产生富微应力、富拉伸应力的钙钛矿;熔融 BSA 形成晶间液相,通过晶界重构、晶体重排、应力压缩,最终得到理想立方相无应力钙钛矿。图 1b:对照组与实验组薄膜退火前后的截面 SEM 图。BSA 改性后钙钛矿晶粒显著长大,晶粒被 BSA 晶间相包裹,构建出钙钛矿 / BSA / 钙钛矿新型界面结构。图 1c:退火不同时间节点下两组薄膜的微应力变化曲线;内嵌为掠入射广角 X 射线散射(GIWAXS)图谱。液相 BSA 可大幅加快微应力衰减,退火 30 s 后实验组微应力仅为对照组 1/3,退火完成后近乎实现零微应力,晶面间距恒定无晶格畸变。图 1d:基于 DMT 模型的定量纳米力学 AFM 模量映射图。实验组薄膜平均模量、晶界模量显著高于对照组,晶界力学强度增强,缺陷浓度大幅降低。图 2a:退火后 ITO 基底上对照组 / 异质结实验组的飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)深度剖析。BSA 可驱动 Me-4PACz 自组装分子定向迁移至钙钛矿 / ITO 底层界面,形成致密均匀的界面层,且 BSA 残留并掺杂在自组装层中。
图 2b:上方为两组异质结截面 HAADF 透射电镜图,下方为有无 BSA 条件下的分子动力学(MD)模拟侧视图。BSA 可消除界面空洞与接触不良问题,使 Me-4PACz 均匀填充界面间隙,实现钙钛矿与 ITO 的完美桥接。
图 2c:退火全过程中两组薄膜拉伸应力演化趋势。对照组拉伸应力随退火持续攀升,实验组拉伸应力持续下降并被有效抑制。
图 2d:85 ℃原位加热条件下钙钛矿(001)晶面晶面间距 d 值演变。对照组因应力诱发晶格畸变、发生相变分解产生 PbI₂;实验组晶面间距几乎无变化,无相变与分解现象。
图 2e:有无 BSA、Me-4PACz 改性的钙钛矿底面时间分辨光致发光(TRPL)衰减曲线。BSA 协同 Me-4PACz 可大幅延长载流子寿命,缺陷复合被显著抑制。
图 2f:紫外光电子能谱(UPS)拟合的能级结构图。BSA 改性调控费米能级下移,界面能带弯曲增大、空穴传输能级偏移量显著减小,空穴抽取与输运能力大幅提升。
图 3a:最优钙钛矿电池正反扫 J-V 曲线。BSA 改性将电池效率从 24.68% 提升至26.79%,开路电压、短路电流、填充因子全面提升,迟滞可忽略。
图 3b:冠军电池 300 s 最大功率点稳态输出效率。实验组稳态效率达 26.27%,长时间无明显衰减,运行稳定性优异。
图 3c:两组电池外量子效率(EQE)及积分电流密度。实验组 EQE 全光谱响应更高,积分短路电流与 J-V 测试高度吻合。
图 3d:开路电压随光强对数变化的线性拟合曲线。BSA 改性将理想因子从 1.92 降至 1.26,陷阱辅助复合被大幅抑制。
图 3e:莫特 - 肖特基(Mott–Schottky)曲线。改性后电池内建电势从 0.95 V 提升至 1.04 V,利于电荷分离与收集。
图 3f:5×5 cm² 大面积钙钛矿模组正反扫 J-V 曲线及实物照片。基于刮刀涂布制备的大面积模组效率达23.76%,验证了该策略产业化大面积制备的可行性。
图 4 复杂工况下器件稳定性测试
图 4a:两组电池 3.0 V~−10.0 V 反向偏压击穿特性曲线。BSA 改性将器件平均击穿电压显著提升,耐反向偏压能力增强。
图 4b/c:−3 V 恒定反向偏压下,对照组与实验组电池效率随时间的统计分布。对照组 30 min 效率衰减超 10%,实验组可稳定维持 23% 以上高效率。
图 4d:ISOS-V-2 标准工况(85 ℃、开路暗态老化)长期稳定性曲线。对照组 600 h 效率仅保留 80%,实验组 1000 h 仍维持初始效率95%。
图 4e:模拟昼夜循环稳定性测试曲线(85 ℃强光 MPPT 12 h + 20 ℃暗态 12 h 为一个循环)。对照组 16 个循环效率降至 80%,实验组经 63 个循环、1500 h 测试后,效率保有率仍高达98%,抗疲劳与实际工况适配性极强。
Additive-assisted liquid medium annealing relieving strains in perovskite solar cells for improved stability
https://doi.org/10.1038/s41560-026-02072-z
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