南昌大学胡笑添、陈义旺《AFM》|协同宏观-微观调控：在高效柔性钙钛矿光伏打印中，岛效应和咖啡环效应的双重约束

钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能而备受关注，但柔性钙钛矿太阳能电池的效率仍低于其刚性 counterparts，主要由于钙钛矿胶体在打印过程中的无序转移导致晶体质量差和均匀性差。本文提出了一种弹性多孔弯月面 (EPM) 打印策略，通过增加峰值剪切速率有效地分散钙钛矿岛，并通过控制剪切力和表面张力来解决异质沉积的问题。此外，通过调节拉普拉斯力，EPM 打印技术还可以抑制马兰戈尼流，从而实现大面积高质量柔性钙钛矿薄膜的打印。该研究将初始化结晶的时间窗口延长了四倍，使形成具有高晶体均匀性的均匀钙钛矿薄膜成为可能。因此，基于 1.01 cm2 的柔性钙钛矿太阳能电池 (FPSC) 实现了创纪录的功率转换效率 (PCE) 为 25.54% (经认证为 25.44%)，并具有出色的重复性。EPM 打印的柔性钙钛矿太阳能模块 (FPSM) 活性面积为 100 cm2，其 PCE 为 16.39% (经认证为 15.65%)，与刚性模块相当。

图1. 抑制岛效应和咖啡环效应。a) 岛效应和咖啡环效应导致宏观上不均匀且多孔的钙钛矿薄膜形成。b) 5 × 5 cm²钙钛矿薄膜相应的光学显微镜（OM）图像。c) 5 × 5 cm²钙钛矿薄膜相应的OM图像。左下角是相应的钙钛矿太阳能模块。d) 5 × 5 cm²钙钛矿薄膜的照片，平行垂直线是P1蚀刻线。照片下方是台阶仪测试图，测试方向与P1线平行。

图2. EPM打印的示意图机制。a) EPM打印控制钙钛矿胶体传输的示意图。b–d) 有限元多物理场模拟。根据实验条件，确定了模拟单元的所有几何参数，图中的区域代表表面，扇形代表EPM，三角形代表刚性的刀片。(b) 相同状态下钙钛矿溶液的初始分布。(c) 图中的标尺代表钙钛矿墨水中的速度分布（单位是 m•s⁻¹）。(d) 图中的标尺代表刀片在基底附近的最大剪切率（单位是 s⁻¹）。e) LaMer曲线描述成核过程。f) 热退火过程中的原位UV–vis吸收光谱的时间分辨谱图，以及g) 在≈550 nm波长处提取的不同钙钛矿薄膜的UV–vis吸收强度与热退火时间的关系，基于对照和EPM打印。

图3. 不同设备的薄膜均匀性和批次可重复性。a) 扫描电子显微镜（SEM）图像和晶粒尺寸分布。b) 光致发光（PL）强度映射。c) PL强度分布。d) 基于对照和EPM打印，10 × 10 cm²柔性钙钛矿薄膜上100个不同位置的X射线衍射（XRD）峰强度统计（在14°选择的峰强度）。e) 49个设备的均匀性验证。f) 8个不同批次的柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）的光电转换效率（PCE）分布。

图4. 钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光伏性能。a) 设备结构。b) 测量的小面积柔性PSCs（1.01 cm²）的电流-电压（J-V）曲线。c) 最大功率点（MPP）光谱。d) 外量子效率（EQE）光谱。e) 短路条件下的电流密度-电压（J-V）曲线。f) 测量的柔性钙钛矿太阳能模块（FPSM，100 cm²）的J-V曲线。g) 基于对照和EPM打印的设备，随着活性面积增加的标准化光电转换效率（PCE）演变。h) 近三年来的认证PCE与活性面积关系图。

图5. 机械稳定性和环境稳定性。a) 柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）在弯曲循环中的光电转换效率（PCE）演变（R = 5 mm）。b) 基于对照和EPM打印，按照ISOS-D-1标准，薄膜质量的变化。c) 按照ISOS-D-1标准，柔性PSCs的PCE随时间演变。d) 按照ISOS-1-1l标准，柔性PSCs的PCE随时间演变。