Science：真空闪蒸溶液处理法制得大面积钙钛矿太阳能电池 最高效率达20.5%

【引语】北京时间6月9日，Science官网在线发表了一篇关于高效率大面积的钙钛矿太阳能电池的文章，题为“A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells”。论文通讯作者为瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Grätzel。

此次研究的最大亮点在于：该研究小组通过真空闪蒸溶液处理法制备了一个面积超过1cm²钙钛矿太阳能电池，其显示的最高效率为20.5%，认证效率为19.6%。这一数值远超目前同等大小的钙钛矿太阳能电池15.6%的认证效率记录。可以说，这种新方法的成功实现为实际部署高效率大面积的钙钛矿太阳能电池铺平了道路。

成果简介：

目前，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其较高的光电转换效率（PCE）和较低的制造成本，吸引着广大研究者的兴趣。但由于其不能在大型设备上发挥高性能，实际发展受到着巨大的阻碍。瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Grätzel研究小组提出了一种简单的真空闪蒸辅助溶液处理法，以获得能大面积运用且具有高电子质量的光泽、光滑、结晶性好的钙钛矿薄膜。该方法使得制造一个面积超过1cm²且高效率的太阳能电池成为可能。同时研究人员证明了该方法的可重复性极佳，且电池J-V曲线中几乎不表现出滞后性。

图文导读：

图1：钙钛矿薄膜的沉积及器件结构介绍

(A)通过真空闪蒸辅助溶液处理（VASP）钙钛矿薄膜形成过程中的成核/结晶过程示意图。
(B)钙钛矿太阳能电池的结构示意图，其中一个光滑致密的钙钛矿包覆层完全覆盖了由钙钛矿浸润后的介孔TiO2层（mp-tio2）。FTO为氟掺杂氧化锡；bl-TiO2为二氧化钛致密层。
(C)由VASP方法制备的一个完整太阳能电池横截面的高分辨率SEM图像。

图2：显微镜图像

(A)分别为由传统工艺（CP）和真空闪蒸辅助溶液处理法（VASP）制备的钙钛矿薄膜表面的SEM图像。
(B)分别为由传统工艺（CP）和真空闪蒸辅助溶液处理法（VASP）制备的钙钛矿薄膜横截面的SEM图像。
(C)左图是由VASP制备的钙钛矿薄膜的典型AFM图像，图像是从右图中的9个10×10 um²大小的方形点中选取的。右图是一平方英寸大小的钙钛矿薄膜的光学图像，用原子力显微镜对钙钛矿层表面的九个点的位置进行了黄色的标记。

图3：传统工艺（CP）与真空闪蒸辅助溶液处理（VASP）制备的钙钛矿薄膜的XRD图谱、紫外可见光谱以及时间分辨光致发光谱（TRPL）的对比。

以下各图中传统工艺（CP）结果用黑线表示，真空闪蒸辅助溶液处理（VASP）结果用红线表示：

(A)XRD图谱；
(B)紫外可见光谱；
(C)时间分辨光致发光谱：典型的钙钛矿薄膜的TRPL衰减，薄膜上沉积致密的FTO阻挡层和TiO2介孔材料，其中黑线和红线分别代表了运用传统工艺（CP）和真空闪蒸辅助溶液处理（VASP）的衰减结果。说明：时间分辨光致发光谱是通过检测钙钛矿薄膜覆盖层侧面（在760 nm处）的激励得到的结果，图中绿线表示符合文中方程2的情况。

图4：电池的光伏特性的分析表征

CP代表传统工艺，VASP代表真空闪蒸辅助溶液处理

（A）20个由CP和VASP制备组装的电池组件的光伏指标对比（可以看出VASP相比于CP能更好地提升电池组件的性能与稳定性）
（B）电流-电压（JV）曲线：分别是用由CP（黑色）和VASP（红色）方法制得的性能最佳的电池组件所测得的曲线，测量照度为标准AM 1.5G。
（C）实线: 分别是用由CP（黑色）和VASP（红色）方法制得的电池所测得的IPCE曲线。该测量结果是在一个对应于5%太阳光强度的白光偏置下，运用切碎的单色光得到的。虚线代表短路电流：在照度为标准AM 1.5G下，对IPCE光谱进行重积分得到的。
（D）电流-电压（JV）曲线：测试对象为由VASP方法制得的性能最佳的电池组件，扫描方向为反向（从Vov 到 Jsc）和正向（从Jsc 到Vov），图中的光伏指标数据来源于两条电流-电压（JV）曲线以及它们的平均光电转换效率（PCE）。
（E）图中是由VASP方法制得的FA0.81MA0.15PbI2.51Br0.45基钙钛矿太阳能电池，其有效面积为1.2×1.2 cm2，在其中选取孔径面积为0.16 cm2且具有代表性的5个点，在照度为标准AM 1.5G下测试的光伏参数。所有的电流-电压（JV）曲线的反向扫面速率均为50 mV s−1。

文献链接：

A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells