华侨大学魏展画/杨金鑫AS：高效钙钛矿太阳能电池新进展！

Wiley

2025-07-01

研究背景

近年来，钙钛矿太阳能电池凭借其可调节的带隙、长载流子寿命以及高光吸收系数等显著优势，发展迅猛，能量转换效率从最初的3.8%跃升至26%以上。然而，卤化铅与有机胺盐之间的化学计量比对钙钛矿吸光层的结晶度、缺陷密度以及界面载流子传输性能有着直接影响，因此精确控制卤化铅与有机胺盐的化学计量比是制备高质量钙钛矿吸光层的关键所在。传统方法（如旋涂法）虽然能够快速制备小面积样品，但在定量控制、材料浪费以及大面积均匀沉积方面存在诸多不足，导致薄膜质量不稳定且反应路径不明确。相比之下，按需喷墨打印技术以其非接触式定量沉积、高材料利用率以及与大面积制备的兼容性，为系统研究有机胺盐沉积密度与性能之间的关系开辟了新的途径。通过调控前驱体有机胺盐溶液的沉积密度，可以优化晶体生长，但如何平衡有机胺盐沉积量以同时实现高结晶度、低缺陷密度以及良好的界面接触，仍然是一个亟待深入探索的问题。因此，探究有机胺盐的表面沉积密度，揭示其对钙钛矿形貌、成分及器件性能的影响规律具用重要的科学研究意义。

文章概述

近日，由华侨大学发光材料与信息显示研究院杨金鑫与魏展画教授科研团队提出了按需喷墨定量沉积，揭示其对钙钛矿形貌、成分及器件性能的影响规律，制备出高结晶度、低缺陷的钙钛矿薄膜，实现了高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备。相关结果发表在Advanced Science上。

图文导读

图1. a）通过按需喷墨定量沉积有机胺盐溶液和相应的钙钛矿薄膜在不同沉积表面密度下的示意图。b-d）钙钛矿薄膜的俯视图SEM图像。随着沉积表面密度的增加，钙钛矿晶粒尺寸增加，而残余PbI2含量减少。e-g）钙钛矿薄膜的横截面SEM图像。

图2. a）不同有机盐沉积表面密度下钙钛矿薄膜的XRD图谱。b）玻璃基片上钙钛矿薄膜的稳态PL分析。c）玻璃基片上钙钛矿薄膜的时间分辨PL衰减曲线。d）不同有机盐沉积表面密度下钙钛矿薄膜与Spiro-OMeTAD的能级排列示意图，PVK代表钙钛矿。

图3.不同有机盐沉积表面密度下器件的表征。a）暗条件下器件的J-V曲线。b）1 kHz下的莫特-肖特基分析。c）暗条件下偏置1.0 V下器件的奈奎斯特电化学阻抗谱图。插图显示了等效电路。d）瞬态光电压衰减曲线。e）空穴器件的SCLC结果。f）EQEEL作为电致发光电流密度的函数。

图4. a）器件结构示意图。b）冠军器件的反向扫描J-V曲线。c）通过喷墨打印方法制造的器件的PCE随时间的演变总结。d）器件的IPCE光谱。e）在25℃时RH为20%的环境空气条件下的水分稳定性测试结果。

研究人员提出了一种基于按需喷墨打印的精确定量沉积方法，系统地研究了有机胺盐沉积表面密度对钙钛矿太阳能电池性能的影响。研究结果表明，沉积密度显著影响钙钛矿薄膜的形貌、成分和结晶度，进而影响整体器件性能。当沉积密度低于22 μg cm-2时，钙钛矿薄膜结晶不完全，晶粒尺寸较小，薄膜整体较薄，这严重阻碍了电荷载流子的传输和分离，导致器件性能不佳。相反，当沉积密度高达89 μg cm-2时，有机胺盐与PbI2之间的反应过度，导致钙钛矿薄膜质量下降，出现针孔、裂缝以及与电子传输层的界面接触不良等问题。而在39 μg cm-2的最佳沉积密度下，钙钛矿薄膜展现出大晶粒、低缺陷密度以及良好的能级对齐，从而实现了23.3%的最高光电转换效率，并显著提升了器件的环境稳定性。

期刊简介

Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。