《Materials Today Energy》：Regulating the crystallization of 1.68 eV bandgap perovskite to fabricate solar cells in ambient air with > 21.5 % efficiency
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宽禁带钙钛矿太阳能电池在常温常压下通过添加N,N'-二甲基脲（DMU）实现高效制备，DMU通过缺陷钝化和优化结晶动力学提升薄膜质量，使电池效率达21.57%，T90稳定性超600小时，为规模化生产提供新策略。
Jiancun Wang|Guoxin Wu|Zhenyu Wang|Dan Huang|Mingwang Chang|Ivan Yu Dmitriev|Liang Wang|William W. Yu
山东大学化学与化学工程学院，济南，250100，中国
摘要
高性能宽带隙（WBG）钙钛矿太阳能电池（PSCs）对于下一代串联太阳能电池的发展至关重要，而其环保的制备工艺对于实现工业化生产具有关键作用。在常温环境下，WBG钙钛矿薄膜的结晶质量对器件性能至关重要，但这一挑战仍限制了其广泛应用。我们提出了一种策略，即在钙钛矿前驱体溶液中引入适量的N,N'-二甲基脲（DMU），以提高在常温空气中制备的WBG PSCs的性能和稳定性。利用DMU的双重功能（包含两个氨基和一个羰基），该方法提高了薄膜的结晶度，并有效钝化了缺陷，从而促进了载流子的传输并减少了载流子的复合。结果，在常温条件下制备的PSCs在空气中的光电转换效率（PCE）达到了21.57%，最大功率点跟踪（MPPT）稳定性（T90）可延长至600小时。这一策略为推进串联太阳能电池的规模化制备和商业化带来了巨大潜力。
引言
近年来，由于出色的光伏性能，PSCs在工业应用中展现出巨大潜力。研究人员通过多种策略不断改进PSCs的性能，如组分工程、缺陷钝化、界面修饰和能量对齐[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。因此，单结PSCs的认证PCE已超过27% [7]，接近Shockley?Queisser（SQ）理论极限 [8,9]。为了超越这一极限，钙钛矿/硅串联太阳能电池技术取得了快速进展，最新的认证效率达到了34.85% [10]。在这一框架下，优化WBG钙钛矿子电池的性能尤为重要，尤其是那些带隙为1.68 eV的电池[[11], [12], [13]]。文献中报道的几乎所有高效率WBG钙钛矿电池和串联器件都是通过旋涂方法制备的[[14], [15], [16], [17]]。然而，这种溶液处理技术通常依赖于手套箱环境，给大规模生产带来了挑战。因此，在常温条件下制备WBG PSCs不仅简化了制造过程，降低了生产成本，还为工业化提供了一条实用且可扩展的生产途径 [18,19]。
为了推进PSCs的工业化，一些研究人员探索了空气处理技术。Yang等人通过将还原性甲基肼阳离子（Mhy+）引入WBG钙钛矿中，在常温条件下同时钝化了缺陷并抑制了卤化物偏析，从而制备出了效率为23.3%的单结太阳能电池 [20]。类似地，Song等人利用苯磷酸钠（SBP）调节结晶动力学和缺陷钝化，通过刮刀涂布法制备出了在60%相对湿度（RH）下效率为22.1%的WBG器件 [21]。Zheng等人使用低极性正丁醇控制溶剂蒸发动力学，在空气中制备出了带隙为1.68 eV的PSCs，效率达到了20.79% [22]。然而，铅卤化物钙钛矿极易受到水分诱导的水解作用，这可能导致破坏性的相变和晶体结构的不可逆降解 [23]。同时，环境中的氧气会加速钙钛矿的氧化，引入缺陷状态，从而降低PSCs的效率 [24]。此外，在常温条件下不受控制的溶剂蒸发往往会导致结晶动力学不佳，形成具有针孔或表面粗糙等形态缺陷的薄膜 [22]。因此，在常温空气中制备WBG PSCs仍然面临许多挑战。
在本研究中，我们阐明了DMU在提高空气处理PSCs性能中的双重功能。通过钝化缺陷和调节结晶动力学，DMU改善了薄膜质量，这一点通过X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）得到了证实。这些分子层面的相互作用提高了结晶度并优化了晶粒取向，进而通过时间分辨光致发光（TRPL）、空间电荷限制电流（SCLC）和瞬态吸收光谱（TAS）观察到非辐射复合的减少。缺陷钝化和结晶优化的协同作用使得能够可靠地制备出高性能的1.68 eV带隙PSCs，其组成为Cs0.05FA0.8MA0.15PbI2.25Br0.75，实现了21.57%的PCE、81.97%的填充因子（FF）、22.26 mA/cm2的短路电流密度（JSC）和1.19 V的开路电压（VOC）。批次间的统计分析进一步验证了这种方法的稳健性和可重复性。值得注意的是，未封装的器件在常温条件下储存480小时后仍保持了90.48%的初始效率。这些发现表明DMU是一种多功能分子添加剂，能够解决常温空气制备钙钛矿中的问题，同时实现了与手套箱处理器件相当的性能指标。
结果
图1a展示了我们在常温空气中制备的WBG PSCs的制备流程图。该过程包括在ITO基底上依次沉积空穴传输层（NiOx）、[4-(3,6-二甲基-9H-卡巴唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）的自组装单层（SAM）、WBG钙钛矿光吸收层、电子传输层（[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）和界面修饰层
结论
总之，本研究表明，在钙钛矿前驱体溶液中引入DMU可以有效钝化晶界缺陷，从而提高倒置PSCs的性能。DMU处理使得晶粒尺寸增大，光谱和显微分析证实小分子的DMU优先结合到晶界处进行缺陷钝化。这种缺陷钝化减少了非辐射复合损失，从而提高了
CRediT作者贡献声明
Jiancun Wang：撰写 – 原始草稿，验证。Guoxin Wu：验证。Zhenyu Wang：验证。Dan Huang：验证。Mingwang Chang：资金获取。Ivan Yu Dmitriev：验证。Liang Wang：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。William W. Yu：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
