采用环保溶剂制备的经过环境处理的半透明钙钛矿太阳能电池

《Energy Advances》：Ambient-processed semitransparent perovskite solar cells from eco-friendly solvents

钙钛矿太阳能电池通过使用环保溶剂DMSO替代传统有毒溶剂DMF，结合抗溶剂IPA和优化旋涂工艺（如5K转速），在保持较高效率（最高达10.9%）的同时显著提升半透明性。30 nm金电极器件的光利用效率（LUE）达4.26%，全器件透射率验证了其实际应用潜力，为可持续的半透明钙钛矿技术提供了新途径。

　　近年来，随着建筑一体化光伏（BIPV）、农业光伏（agrivoltaics）以及叠层太阳能电池（tandem solar cells）等应用需求的不断增长，开发具有高透明度和高效能的半透明钙钛矿太阳能电池成为研究热点。然而，如何在提升电池效率的同时，保持良好的光学透明度并采用环保型溶剂，仍然是该领域面临的重要挑战。本研究旨在探讨溶剂工程与加工条件对钙钛矿薄膜结构、光学性能和光伏特性的影响，重点分析了环保溶剂DMSO在半透明钙钛矿太阳能电池中的应用潜力，并评估了异丙醇（IPA）和乙醇（EtOH）作为抗溶剂对电池性能的优化作用。

钙钛矿材料因其独特的物理和化学性质，如长的激子扩散长度、可调的带隙宽度、宽光谱吸收范围、溶液加工性以及低成本的前驱体材料，自2009年被引入光伏领域以来，迅速成为新型光伏技术的前沿方向。其在实验室中已经实现了高达27.3%的光电转换效率（PCE），并且在实际应用中，随着技术进步，PCE进一步提升至27.0%。然而，钙钛矿材料也存在一些关键的挑战，包括对热、湿气、光照和电偏压的敏感性，以及对有毒重金属铅（Pb）的依赖，这限制了其商业化进程。此外，传统的加工溶剂如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和DMSO混合溶剂虽然有助于形成高质量的钙钛矿薄膜，但它们的环境和健康风险也不容忽视。DMF被欧洲化学品管理局（ECHA）列为“非常高的关注物质”，其急性毒性、生殖健康风险以及对肝脏的潜在损害引发了广泛关注。而根据欧盟2021/2030法规，自2023年12月起，DMF在工业和职业应用中受到严格限制。类似地，其他如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、γ-丁内酯（GBL）、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢吡嗪-2(1H)-酮（DMPU）和四氢呋喃（THF）等溶剂也被归类为有害物质，存在一定的毒理学风险。

因此，开发环保型溶剂系统成为推动钙钛矿太阳能电池可持续发展的关键方向之一。DMSO因其较低的环境和健康风险，被认为是目前最可持续的溶剂选择之一。然而，尽管DMSO在环保方面具有显著优势，其高粘度和相对较慢的蒸发速率限制了其在钙钛矿薄膜制备中的广泛应用。这些特性可能导致薄膜形成过程中出现不均匀性，影响电池的性能表现。为此，研究人员尝试通过混合其他溶剂或优化加工条件来克服DMSO的局限性。例如，Yang等通过将DMSO与其他溶剂结合，成功制备出高质量的钙钛矿薄膜，并提升了其性能。Li等则利用DMSO与盐酸结合，进一步优化了薄膜的结晶度和电池效率，达到较高的PCE水平。尽管这些研究取得了一定进展，但DMSO仍需在加工便捷性和性能表现上进一步优化，以与DMF等传统溶剂竞争。

在抗溶剂的选择方面，IPA和EtOH因其较低的毒性和良好的生物降解性，被视为传统抗溶剂（如氯苯、甲苯和二乙醚）的环保替代方案。这些溶剂不仅能够促进钙钛矿薄膜的快速结晶，改善其形貌并控制晶粒生长，还能显著降低加工过程中的健康和环境风险。研究发现，IPA和EtOH在提升薄膜质量方面表现优异，其制备的薄膜在光学性能和光伏性能上与传统抗溶剂相当，甚至在某些情况下更优。这为钙钛矿太阳能电池的绿色制造提供了重要支撑，同时也为未来大规模生产奠定了基础。

本研究的重点在于探索DMSO作为单一溶剂在半透明钙钛矿太阳能电池中的应用潜力。通过采用纯DMSO制备钙钛矿前驱体溶液，并结合IPA或EtOH作为抗溶剂，研究团队成功实现了半透明太阳能电池的制备。实验结果显示，DMSO单溶剂体系在保持高透明度的同时，能够维持较高的光利用率（LUE）和光电转换效率（PCE）。具体而言，采用30纳米厚度的金电极的DMSO IPA 5K设备实现了高达10.9%的PCE，同时其光利用效率达到了4.26%（基于薄层透射率计算）和3.04%（基于人眼光谱响应计算）。相比之下，使用80纳米金电极的DMSO IPA 5K设备的LUE值仅为0.59%和0.88%。这一差异表明，仅依赖于薄层透射率数据并不能准确反映半透明设备的整体光学性能，因此必须结合完整的设备透射率数据进行评估。

在薄膜形貌方面，研究通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对不同溶剂和抗溶剂体系下的钙钛矿薄膜进行了分析。结果显示，DMF:DMSO体系下的薄膜呈现出较大的晶粒和较高的致密性，这有利于提高光电转换效率，但牺牲了透明度。而DMSO单溶剂体系下的薄膜则表现出更小的晶粒和更均匀的结构，这有助于提升透明度。特别是DMSO IPA 5K薄膜，其晶粒尺寸仅为0.40微米，表面粗糙度显著降低至2.2纳米，使得薄膜在光学性能上表现出更优的特性。相比之下，EtOH作为抗溶剂虽然也能够提高透明度，但其对薄膜结晶度的负面影响更为明显，导致DMSO EtOH 5K设备的PCE下降至7.4%，并且在性能再现性方面表现出较大的波动。这表明，IPA作为抗溶剂在提升薄膜质量与设备性能方面更具优势。

在光学性能方面，研究团队通过紫外-可见-近红外吸收光谱（UV-vis-NIR）对不同薄膜进行了分析。结果表明，DMSO IPA 5K薄膜在可见光和近红外区域的透射率显著高于其他体系。例如，其在750纳米以上波长区域的透射率超过了75%，而在400纳米波长处仍能保持一定的透射率。这与该薄膜的低厚度和小晶粒尺寸密切相关，较小的晶粒可以减少光散射，从而提升整体的光学透明度。此外，研究还通过平均可见透射率（AVT）和平均光谱透射率（APT）对薄膜的光学性能进行了量化分析。其中，AVT用于评估可见光范围内的透射率，而APT则考虑了人眼对光的敏感度，更能反映实际应用中的光学表现。DMSO IPA 5K薄膜的AVT和APT分别达到了39.1%和27.9%，这表明其在可见光和人眼敏感光谱范围内的透射性能均优于其他体系。

在光伏性能方面，研究团队通过构建完整的太阳能电池结构，对DMSO IPA 5K薄膜进行了性能测试。结果表明，尽管DMSO单溶剂体系的PCE低于DMF:DMSO体系，但其在透明度与效率之间的平衡更优。例如，DMSO IPA 5K设备的PCE为10.9%，而DMF:DMSO IPA 5K设备的PCE为13.9%。这一差异主要归因于DMSO体系下薄膜的较低结晶度和更小的晶粒尺寸，导致了更显著的非辐射复合损失。然而，研究团队通过优化电极厚度，成功提升了半透明设备的透明度。将金电极厚度从80纳米减少至30纳米后，DMSO IPA 5K设备的AVT和APT分别提高至5.40%和8.08%，从而显著改善了其光学透明度。尽管金电极厚度的减少带来了接触电阻增加的问题，影响了电池的填充因子（FF），但研究发现，DMSO体系下的设备在开放电路条件下仍表现出较高的光利用率和良好的稳定性。

研究还通过X射线衍射（XRD）分析了不同溶剂体系下钙钛矿薄膜的结晶度和相组成。结果表明，DMSO IPA 5K薄膜的XRD峰强度较弱，可能与薄膜厚度较低和结晶度较差有关。然而，其仍然保持了钙钛矿的主相结构，没有出现分解或次生相的迹象。这说明，尽管DMSO体系的结晶度不如DMF:DMSO体系，但其在光学透明度和环保性能上的优势仍然显著。此外，研究还通过时间分辨光致发光（TRPL）技术评估了不同薄膜的电荷载流子寿命和复合行为。结果显示，DMSO IPA 5K薄膜的电荷载流子寿命较长，表明其在减少非辐射复合方面具有更好的性能。

在设备的长期稳定性方面，研究团队在常温常湿条件下对半透明设备进行了短期光稳定性测试。结果表明，DMSO IPA 5K设备表现出更好的稳定性，这与其较高的透明度和较低的光吸收能力有关。由于DMSO IPA 5K设备的光透射率较高，大部分入射光能够通过设备，从而减少了光引起的材料降解风险。这使得该设备在实际应用中具有更强的耐久性，特别是在建筑一体化光伏和农业光伏等场景中，设备需要在自然光和环境湿度下长期运行。

本研究的成果不仅为钙钛矿太阳能电池的环保加工提供了新的思路，还展示了如何在不牺牲性能的前提下，通过优化溶剂体系和加工条件，实现更高的透明度和光利用率。此外，研究还强调了设备整体透射率测量的重要性，因为仅依赖于薄层透射率数据无法准确反映半透明设备的实际性能。因此，未来的设备设计和性能评估应更加注重多层结构对光学特性的影响，以确保半透明设备在实际应用中的有效性。

在应用前景方面，DMSO体系的半透明太阳能电池在建筑一体化光伏（BIPV）中展现出巨大的潜力。其高透射率特性使得太阳能电池可以集成到窗户、幕墙等建筑结构中，既能够实现能源收集，又不会影响自然采光。在农业光伏领域，该设备的可控透明度可以支持植物生长，实现光伏与农业的协同效应。此外，该设备还可以应用于自供电电子设备，如智能窗户和可穿戴电子产品，这些设备需要在保持外观和透明度的同时，实现高效的能量转换。因此，DMSO体系的半透明太阳能电池不仅在技术上具有可行性，还符合未来可持续能源发展的需求。

综上所述，本研究通过优化溶剂体系和加工条件，成功开发出了一种基于DMSO的环保型半透明钙钛矿太阳能电池。尽管其光电转换效率略低于传统DMF:DMSO体系，但其在透明度、光利用率和环境友好性方面表现出显著优势。这一成果为钙钛矿太阳能电池的可持续发展提供了新的路径，并为未来在建筑、农业和电子等领域的广泛应用奠定了基础。同时，研究也强调了设备整体透射率测量的重要性，以及如何通过调整材料组成和加工参数，进一步提升半透明设备的性能表现。