高湿度气流退火促进钙钛矿太阳能电池晶粒定向生长的机制研究

本文创新性地采用动态高湿度气流（12 mol%水含量）退火工艺，显著提升碳基钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能。通过构建自上而下的单向晶体生长模式，使钙钛矿层厚度增加11%，晶粒尺寸扩大50%，PbI2副产物减少，最终实现光电转换效率（PCE）从14.9%提升至17.2%。该研究为无机空穴传输层（HTL）器件的规模化制备提供了新思路。

　　

Highlight

本研究开发了一种创新型退火装置，通过极端湿度（约12 mol%）热气流（HAF）动态处理钙钛矿薄膜。相比静态退火对照组（Ref），该工艺使晶粒尺寸增大50%，PbI₂副相减少，并诱导形成自上而下的垂直排列晶体结构。

Results and discussion

实验采用自制退火系统，对比了干燥/潮湿HAF（流速7.5-15 cm/s）与传统热板退火（相对湿度6-8%）。XRD分析显示，高湿度气流促进MAPbI₃(110)晶面择优取向，晶粒尺寸从450 nm增至680 nm。SEM证实薄膜孔洞减少，厚度从480 nm提升至530 nm。

Conclusion

湿度辅助退火通过"溶解-再结晶"三重态机制重构钙钛矿层：1）水分子在晶界冷凝；2）适度分解MAPbI₃为PbI₂和MAI；3）副产物重新反应生成大尺寸晶体。该工艺使短路电流密度（J_SC）提升12%（20.7→23.2 mA/cm²），为n-i-p型PSCs的工业化生产提供新方案。