为高效碳基钙钛矿太阳能电池量身定制的胶体粒径和结晶动力学

《Journal of Colloid and Interface Science》：Tailored colloidal size and crystallization kinetics for high-efficiency carbon-based perovskite solar cells

钙钛矿太阳能电池通过引入MDACl?和RbCl优化前驱体溶液，调控胶体尺寸与结晶速率，获得均匀低缺陷PbBr?薄膜，器件效率达11.36%且连续工作488小时稳定性优异。

　　在当前的太阳能技术研究中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电性能和相对较低的成本而受到广泛关注。然而，尽管其理论效率高，PSCs的商业化进程仍然面临诸多挑战，其中最关键的问题之一是钙钛矿薄膜的非均匀结晶和高缺陷密度。这些问题主要源于钙钛矿胶体粒子的无序聚集以及快速、不可控的结晶过程。为了解决这些挑战，研究者们不断探索新的方法，以改善钙钛矿薄膜的质量和均匀性。本文介绍了一种创新的结晶策略，通过引入甲撑二氨基氯化物（MDACl?）和铷氯化物（RbCl）到铅溴（PbBr?）前驱体溶液中，成功地调控了胶体的尺寸和分布，同时减缓了结晶速率，从而实现了更均匀、更高质量的钙钛矿薄膜。

钙钛矿材料的结构和性能在很大程度上取决于其结晶过程。在传统的钙钛矿前驱体溶液中，胶体粒子往往因无序聚集而形成不规则的结构，这不仅影响了薄膜的均匀性，还可能导致缺陷的增加，从而降低电池的性能和稳定性。为了改善这一状况，研究团队对前驱体溶液进行了优化。通过引入MDACl?，前驱体溶液的酸性环境得到了增强，这一变化有效促进了胶体粒子的溶解，使得胶体的尺寸变得更小且分布更加均匀。此外，MDACl?分解后产生的产物能够与Pb2?离子形成稳定的络合物，这种络合物不仅增加了胶体的稳定性，还通过空间位阻效应抑制了胶体的无序聚集。这些改进使得前驱体溶液在涂布过程中能够更均匀地沉积在基底上，为后续形成高质量的钙钛矿薄膜提供了坚实的基础。

在调控胶体尺寸和分布的同时，研究团队还引入了RbCl作为结晶速率的调节剂。Rb?离子在结晶过程中起到了抑制剂的作用，减缓了晶体的生长速度，从而避免了过快结晶导致的不均匀结构。通过这种协同作用，钙钛矿薄膜的孔隙分布变得更加均匀，不仅提高了薄膜的覆盖率，还降低了缺陷密度。这种均匀的孔隙结构有助于后续的晶体生长过程，使得最终形成的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸和更低的缺陷密度。这不仅提升了电池的光电转换效率，还增强了其在长期运行中的稳定性。

为了验证这一结晶策略的有效性，研究团队制备了基于碳的CsPbBr?钙钛矿太阳能电池，并对其性能进行了系统评估。结果显示，采用该策略优化后的钙钛矿太阳能电池实现了11.36%的光电转换效率（PCE），这是目前报道的CsPbBr?钙钛矿太阳能电池中最高的PCE。此外，优化后的电池在连续光照下表现出优异的稳定性，即使在488小时的持续操作后，其初始PCE仍能保持在96.4%以上。这一结果表明，通过调控前驱体溶液中的胶体行为和结晶速率，可以显著提升钙钛矿太阳能电池的性能和寿命。

除了提高PCE，研究团队还对电池的长期稳定性进行了测试。在25°C、85%相对湿度（RH）和85°C、0% RH的条件下，优化后的无封装电池在1200小时的存储后仍能分别保持94.1%和93.8%的初始效率。这说明该策略不仅在短期性能上表现出色，而且在长期稳定性方面也具有显著优势。这种稳定性对于实际应用至关重要，因为钙钛矿太阳能电池在实际环境中往往需要面对复杂的温度和湿度变化。

在实验过程中，研究团队采用了多种材料和技术手段。例如，SnCl?和硫脲（CH?N?S）被用于制备前驱体溶液，而CsBr则用于调节钙钛矿的组成。此外，N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇（CH?OH）作为溶剂，为胶体的分散和结晶提供了良好的环境。为了确保电池的性能和稳定性，研究团队还使用了[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PC??BM）作为电子传输层材料，并结合碳浆作为电极材料。这些材料的选择不仅考虑了其在钙钛矿太阳能电池中的功能，还兼顾了其与钙钛矿薄膜之间的相容性和稳定性。

通过系统的研究，研究团队发现，MDACl?和RbCl的协同作用是实现高质量钙钛矿薄膜的关键。MDACl?的分解不仅改变了前驱体溶液的pH值，还通过形成稳定的络合物，抑制了胶体的无序聚集。这种调控作用使得胶体在溶液中能够保持更长的时间，从而为后续的均匀结晶提供了有利条件。同时，RbCl的引入有效减缓了结晶过程，使得晶体能够在更长的时间内逐渐生长，从而避免了因快速结晶导致的不均匀结构。这些改进共同作用，使得最终形成的钙钛矿薄膜具有更优异的光电性能和结构均匀性。

在实验过程中，研究团队还采用了多种表征技术来评估钙钛矿薄膜的质量。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察薄膜的微观结构，发现优化后的薄膜具有更均匀的孔隙分布和更大的晶粒尺寸。此外，X射线衍射（XRD）和紫外-可见光谱（UV-Vis）等分析手段也证实了薄膜的结晶质量得到了显著提升。这些结果不仅为钙钛矿太阳能电池的优化提供了理论依据，也为后续的材料设计和工艺改进提供了方向。

综上所述，本文提出了一种通过调控前驱体溶液中胶体行为和结晶速率来改善钙钛矿太阳能电池性能的策略。通过引入MDACl?和RbCl，研究团队成功地减小了胶体的尺寸，提高了其分布的均匀性，并减缓了结晶速率，从而实现了更高质量的钙钛矿薄膜。这一策略不仅提升了电池的光电转换效率，还显著增强了其在长期运行中的稳定性。这些成果为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了重要的技术支持，同时也为未来的研究指明了方向。