大面积钙钛矿组件高效制备：空间位阻效应、界面工程及稳定性测试

 

钙钛矿太阳能电池在实验室尺度已实现高达27%的功率转换效率，但其大面积组件化进程面临严峻的效率损失挑战，这主要源于结晶不均匀与埋底界面缺陷难以控制。常用溶剂二甲基亚砜（DMSO）虽能通过强配位稳定钙钛矿前驱体，却易在薄膜中残留，并诱发多重成核路径和界面空洞，导致组件性能随面积放大显著衰减，成为产业化的关键瓶颈。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本研究提出采用二乙基亚砜（DESO）作为替代溶剂。DESO通过其支链结构的空间位阻效应，实现与PbI₂的温和配位，从而降低结合能、避免复杂中间相形成。该特性使其能在真空淬火过程中快速完全挥发，有效抑制埋底界面缺陷，引导单一、均匀的结晶路径，最终成功制备出高效率、高稳定性的大面积钙钛矿太阳能组件，为推进该技术的规模化应用提供了可行的材料解决方案。

空间限制的温和配位机制

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DMSO与DESO的(a)分子静电势分布图(b)关键物化参数对比；(c)热重分析曲线；(d)傅里叶变换红外光谱；(e)拉曼光谱；(f)动态光散射粒径分布；(g)在成膜过程中的成核与结晶相演化示意图

溶剂物化性质直接影响工艺窗口与薄膜质量，DESO虽在沸点、蒸气压等参数上预示其蒸发应慢于DMSO，但实验表明其在钙钛矿成膜过程中蒸发更快。

理论计算与光谱分析：

DFT计算表明，DESO与PbI₂的相互作用能（-0.58 eV）低于DMSO（-0.91 eV），源于其支链结构的空间位阻效应。

FTIR与拉曼光谱证实，DESO与PbI₂配位后S=O键发生红移，表明配位键形成。引入FAI后，DESO出现蓝移，说明I⁻与DESO竞争配位Pb²⁺，使DESO更易在成膜过程中释放。

DLS显示DESO基前驱体溶液中胶体簇尺寸更小，表明更多FA⁺和I⁻参与反应。

作用机制：
 

DESO的支链结构产生空间位阻，实现温和配位，避免了DMSO因强配位导致的溶剂残留、多重中间相形成及各向异性生长等问题。

结晶动力学与薄膜形貌

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(a)真空淬火与退火过程中的原位PL光谱(b)不同退火时间下DMSO与DESO处理钙钛矿薄膜的原位X射线衍射图谱(c)钙钛矿薄膜表面与截面扫描电镜图像(d)从玻璃基底剥离的刮涂钙钛矿薄膜之界面扫描电镜图像(e) 钙钛矿薄膜的PL mapping图

原位表征结果：

原位PL与UV-vis显示，DESO处理薄膜在真空淬火后迅速形成钙钛矿相，而DMSO处理薄膜则经历中间相转变过程。

原位XRD表明，DESO体系可直接形成钙钛矿相，而DMSO体系存在多种中间相，需延长退火才能完全转化。

薄膜形貌：

SEM显示DESO薄膜晶粒略大、表面更平整。

界面剥离SEM直接观察到：DMSO薄膜埋底界面存在明显空洞，而DESO薄膜界面致密。

PL mapping证实DESO薄膜发光更强且均匀，表明其质量更高、缺陷更少。

工艺窗口：

DESO虽工艺窗口短于DMSO，但仍完全满足大面积狭缝涂布的时间要求（涂布1.2米基底约需100-120秒，远低于其240秒窗口）。

载流子动力学与光伏性能

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(a)稳态PL光谱(b)时间分辨PL衰减曲线(c)电流密度-电压曲线(d)瞬态光电压衰减曲线(e)钙钛矿电池的暗电流曲线(f)开路电压随光强变化关系

薄膜质量提升：

DESO薄膜PL强度更高，载流子寿命更长（1.42 µs vs. 0.83 µs）。

SCLC测量显示DESO薄膜陷阱态密度更低（1.66×10¹⁵ cm⁻³ vs. 2.21×10¹⁵ cm⁻³）。

暗电流低一个数量级，TPV衰减时间常数更长，理想因子更低，均表明DESO薄膜具有更优的载流子传输与提取性能。

(a)模组结构示意图(b)模组截面示意图(c)电流-电压曲线(d) DESO模组在最大功率点处持续300秒的稳态输出(e) DESO模组的外量子效率光谱及积分电流密度(f) 30×30 cm²基底上DESO模组的电流-电压曲线(g) 30×30 cm²DESO模组实物图(h)不同面积模组的效率对比，斜线表示效率随面积增大而下降的趋势

组件性能：

小面积（11.2 cm²）PSM：DESO组件PCE达22.9%，显著高于DMSO的21.05%。

大面积（692.5 cm²）PSM：DESO组件PCE仍保持20.8%，而DMSO组件降至18.23%。

EQE光谱与积分电流密度一致，迟滞效应小，表明界面质量高。

效率随面积放大衰减极小，展现出卓越的可扩展性。

薄膜与组件的稳定性

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(a)老化20天后DMSO与DESO薄膜的PL mapping(b) 25°C下模组的最大功率点跟踪稳定性(c) 85°C/85% RH湿热条件下模组的长期稳定性曲线

薄膜环境稳定性：

老化20天后，DESO薄膜PL强度无显著衰减，UV-vis吸收稳定，XRD未出现PbI₂分解峰，而DMSO薄膜则出现明显降解。

组件运行稳定性：

连续1-sun光照2000小时：DESO组件保持>96%初始PCE。

85°C高温光照1000小时：DESO组件保持80%初始PCE。

85°C/85% RH湿热测试2000小时：DESO组件保持>95%初始PCE。

DESO处理组件的高稳定性归因于其高质量、低缺陷的钙钛矿薄膜与致密界面。

本研究证实，二乙基亚砜（DESO）凭借其支链结构所产生的空间位阻效应，实现了与PbI₂之间的温和配位。这一分子设计带来了三重关键优势：其一，降低配位结合能，促进溶剂在真空淬火过程中快速、完全挥发；其二，抑制复杂亚稳中间相的形成，引导钙钛矿沿单一结晶路径生长；其三，有效避免埋底界面处的溶剂残留与孔洞缺陷，从而获得均匀、高结晶质量的薄膜。

基于DESO的可扩展制备工艺，成功实现了高效率、高稳定性的大面积钙钛矿太阳能组件，并在从小面积（11.2 cm²，PCE=22.9%）放大至大面积（692 cm²，PCE=20.8 %）过程中表现出优异的性能保持能力，凸显出良好的工艺扩展性。本工作表明，通过合理的溶剂分子结构设计，可有效调控结晶动力学与界面质量，这为钙钛矿光伏技术从实验室走向规模化生产提供了切实可行的材料策略与工艺路径。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

 

 

多型号电子负载可选，多通道独立运行

 

 

不同波段光谱输出可调：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

 

 

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Mild Coordination Enabled by Steric Hindrance Facilitates Fabrication of Large-Area Perovskite Solar Modules

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