1. 一、串联钙钛矿电池问题与挑战

串联钙钛矿太阳能电池有可能达到比单结太阳能电池详细的平衡效率极限高得多的效率，这将有助于降低光伏系统的成本。与单结钙钛矿模块相比，串联结构具有更小的光电流和更高的光开压，可以降低单元对模块的效率下降的影响，从而实现单片串联结构更高的效率。在解决了Sn-Pb钙钛矿扩散长度低的问题后，全钙钛矿串联电池的效率迅速从10.4%上升到26.4%，已经超过了单结钙钛矿电池。然而，与近年来单结钙钛矿模块方面取得的快速进展相比，全钙钛矿串联模块的发展滞后，主要是由于环境条件下窄带隙(NBG)钙钛矿工艺面临的挑战。

二、成果简介

有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松团队报道了采用热气辅助刮刀涂布法加速钙钛矿结晶，形成致密的窄带隙(NBG)钙钛矿薄膜。在NBG薄膜中加入还原剂盐酸苄肼(BHC)，然后进行短时间的空气曝光，显著地提高了载流子重组寿命，并在环境条件下使用激光划线而不会明显损失器件性能。这种结合抑制锡和碘化物的氧化，并在NBG薄膜表面形成一个薄的SnO₂层。单片全钙钛矿串联太阳能电池组件有效面积为14.3 cm²的效率最高为21.6%，相应小面积器件效率为23.0%。

三、结果与讨论

要点1：刮刀涂布制备高质量NBG薄膜

用于串联器件的NBG钙钛矿的最佳厚度为1000纳米。要通过刀片涂层制造这种厚的薄膜，涂布的湿膜也需要足够厚。通过刀片系统设置、不同条件下涂层薄膜的照片以及不同持续时间退火的钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像分析。通过调整前体溶液中的热气体温度和DMSO含量，防止钙钛矿薄膜中间隙的形成，通过调整N₂温度来加速了刀片过程中的溶剂蒸发，开发有一个直列加热器（Omega，AHPF-121）的热气系统，解决了热枪的热空气对气体温度和流量的控制有限，只能处理小面积薄膜，直接将加热的气体输送到宽气体刀。热气策略是一种物理方法避免使用任何溶剂，使其更容易集成到高速的卷对卷或板对板制造生产线。

要点2：利用BHC提高NBG器件性能与稳定性提升机制研究

抑制空气中NBG钙钛矿中Sn²⁺的氧化对于实现高性能设备至关重要。受防止碘钙钛矿中I₂产生的还原功能的启发，作者预计BHC具有相同的还原NBG钙钛矿运行过程中产生的碘的性能。黄色的NBG钙钛矿前体溶液在空气中氧化，直到变成红色，这表明溶液中形成了大量的Sn⁴⁺。在将BHC添加到氧化溶液中后，溶液在10秒内恢复为黄色，证明BHC有能力在室温下将Sn⁴⁺降至Sn²⁺，并且测试时间内没有明显损害NBG钙钛矿。使用溶解在低浓度的BHC处理涂层NBG钙钛矿表面发现明显提高了NBG太阳能电池的效率。开路电压（VOC）从0.765V增加到0.809V，PCE从17.0%上升到18.6%。表面处理后，严重的迟滞消失了。为了减少原始前驱体成分中预先存在的Sn⁴⁺和薄膜制造过程中产生的Sn⁴⁺，在前驱体溶液中添加了BHC作为添加剂，进一步将器件VOC提高到0.837 V，单节NBG钙钛矿太阳能电池的PCE为19.4%。

在空气暴露期间，脆弱的NBG钙钛矿表面降解为SnO₂、CsI/FAI、SnI₄、碘和其他导致设备初始降解的缺陷。尽管BHC可以减少前体溶液的氧化，但这种反应在固体薄膜中要慢得多。在储存期间，固体薄膜中的BHC慢慢将SnI₄中的Sn⁴⁺减少到Sn²⁺，并将碘还原为碘化物。另一方面，剩余的SnO₂是钙钛矿器件的良好电子传输层，因为它具有很高的电子迁移率，与钙钛矿具有出色的化学兼容性，以及适当的电子提取价带深度等。

要点3：全钙钛矿串联组件块的性能

ITO/PTAA/Cs_0.25FA_0.75Pb(I_0.85Br_0.15)₃/C₆₀/SnO₂/Au/PEDOT:PSS/Cs_0.2FA_0.8Pb_0.5Sn_0.5I₃/PCBM/C₆₀/BCP/Cu为串联电池结构。小面积电池的刀片涂层NBG和WBG薄膜的厚度分别为1000 nm和233 nm，这与目标厚度一致。8 mm²串联太阳能电池的效率为23.1%，V_oc为2.01 V，J_sc为14.8 mA cm⁻²，FF为77.5%。在制造面积为10-20 cm³的迷你模块时，P2和P3线的总划刻时间约为20分钟。覆盖NBG薄膜将空气中的操作窗口延长到比5 min更长。封装的迷你模组在手套箱中存放两天，以减少Sn⁴⁺和I。具有四个子单元和孔径面积为14.3 cm²冠军迷你模组的PCE为21.6%迟滞可以忽略不计。模块在最大功率输出点处的稳定输出PCE为21.5%。全钙钛矿串联太阳能模块在1个太阳照明下的长期光稳定，在250小时后保留了初始PCE的约90.0%。

四、小结

综上所述，作者采用热气辅助刀片涂层策略来沉积高质量、大面积和足够厚的NBG钙钛矿薄膜，以制造全钙钛矿串联模块。还原剂BHC防止了薄膜制造过程中Sn⁴⁺的形成，还减少了空气暴露过程中产生的Sn⁴⁺和I。揭示了Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的性能增强机制，由氧化作用、钙钛矿中的BHC和制造后存储过程协同作用导致。

五、参考文献

Xuezeng, X. et al. Efficient monolithic all-perovskite tandem solar modules with small cell-to-module derate Nat. Energy.

Doi: 10.1038/s41560-022-01102-w（2022）.

https://doi.org/10.1038/s41560-022-01102-w