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南科大徐保民Nano energy：高效无反溶剂钙钛矿太阳能电池中SAM作为空穴传输层的优势

发表时间：2025-04-22 14:07

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主要内容：

开发一种简便的方法来制备高质量的钙钛矿薄膜，且无需使用反溶剂技术，对于钙钛矿太阳能电池（PSCs）的规模化生产至关重要。目前，大多数高效钙钛矿太阳能电池依赖于使用反溶剂制备的钙钛矿薄膜，然而，大多数常用的反溶剂具有毒性，且反溶剂工艺在大规模生产中面临诸多困难，如设备要求高、成本增加等，这严重限制了钙钛矿太阳能电池的广泛应用。因此，开发无反溶剂的钙钛矿薄膜制备技术迫在眉睫。

有机 - 无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率已从3.8%迅速提升至目前的26.7%，展现出其在光伏应用中的巨大潜力，这得益于其优异的光电性能，如高吸收系数、可调带隙、长载流子扩散长度和缺陷容忍度。无反溶剂钙钛矿的成核和晶体生长对于制备高质量、无针孔的薄膜至关重要，因为薄膜中的针孔会严重影响器件的性能。

为解决大规模加工过程中均匀成核和结晶的挑战，众多研究团队进行了积极探索。例如，Bu等人设计了一种铅卤化物模板结晶策略，通过控制N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮（NMP）加合物的成核和生长，获得高质量的大面积薄膜。这些加合物可以与嵌入的FAI/CsI原位反应，直接形成α相钙钛矿，并绕过向δ相的相变。进一步添加六氟磷酸钾可使效率达到23%。Zhang等人采用NMP作为添加剂来抑制FAPbI₃的非钙钛矿相。通过挥发性溶剂2 - 甲氧基乙醇的自挥发，而非传统的反溶剂，他们制备了FAI - PbI₂ - NMP中间相，*终实现了20.1%的效率。Wang等人利用MeO - 2PACz作为空穴传输层，并采用预合成的三维甲胺铅氯（MAPbCl₃）和一维2 - 氨基苯并噻唑铅碘（ABTPbI₃）微晶作为自干燥钙钛矿前驱体，作为晶种促进无需反溶剂萃取的FAPbI₃基钙钛矿的成核和生长。性能**的倒置结构器件在小面积器件（0.09 cm²）和大面积器件（1.0 cm²）上分别实现了23.27%和21.52%的光电转换效率。

除了上述研究团队的工作外，本研究团队在无反溶剂钙钛矿太阳能电池领域也取得了重要进展。自组装单分子层（SAM）是指分子通过化学键自发地吸附在固体表面，形成有序的单分子层结构，在钙钛矿太阳能电池中常作为空穴传输层。原位表征技术是指在材料制备或反应过程中，实时监测材料结构和性能变化的技术。甲脒（FA）基钙钛矿是一种具有优异光电性能的钙钛矿材料。为解决无反溶剂钙钛矿成核和结晶的挑战，我们采用SAM作为空穴传输层，以促进无反溶剂钙钛矿的埋底界面成核和生长。

为全面了解SAM分子在无反溶剂工艺中制备钙钛矿薄膜的调控作用，我们采用原位表征技术阐明了SAM对甲脒（FA）基钙钛矿结晶过程的影响。我们发现，在钙钛矿前驱体溶液中，PbI₂倾向于与N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮（NMP）形成中间相。当将前驱体溶液涂覆在SAM表面时，PbI₂ - NMP（表示为PN）中间相进一步倾向于在钙钛矿层的埋底界面与SAM结合，形成SAM - NMP - PbI₂（表示为SNP）中间相。在通过无反溶剂工艺制备钙钛矿薄膜的旋涂过程中，我们观察到SNP*初在钙钛矿的埋底界面形成二维中间相框架，随后FA离子插入晶格中。中间相框架的引入增强了薄膜的成核均匀性，促进了钙钛矿的结晶，并显著提高了器件的性能。

本研究证明，自组装单分子层（SAM）可作为有效空穴传输层（HTLs），促进甲脒基钙钛矿在不使用反溶剂时的成核与生长。通过原位表征技术，我们观察到4PADCB（某化合物名称，此处保留原英文表述，因具体中文名称可能因文献而异）与N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮（NMP）和碘化铅（PbI₂）结合形成二维中间相，该中间相作为阳离子进入的框架并促进钙钛矿的结晶。性能**的倒置结构器件在小面积（0.0736 cm²）和大面积（1.0 cm²）器件上分别实现了25.60%和23.53%的光电转换效率，这在无反溶剂PSCs中属于*高效率之一。这项工作有助于理解SAM作为空穴传输层在无反溶剂工艺中对钙钛矿成核和结晶的调控作用，为无反溶剂钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的思路和方法。该研究由南方科技大学徐保民教授、王树勋教授和香港科技大学章勇教授带领的联合团队完成。

文献信息：

Benefit of Anchoring Self-Assembled Monolayer as HTL for Efficient Anti-Solvent-Free Perovskite Solar Cells

Bo Jiang a, Peide Zhu a, Zheng Liang b, Wenbo Peng a, Jie Zeng a e, Chen Wu a, Xianghui Zeng f, Fei Su a, Deng Wang a e, Yuqi Bao a, Chen Xie f, Xu Pan b, Yong Zhang g, Xingzhu Wang a h i, Baomin Xu

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552500415X