大面积钙钛矿太阳能电池面临器件性能随着器件工作面积的增加而显著下降的问题。针孔和空洞是隐藏在钙钛矿薄膜中的两个重要结构缺陷，严重影响大面积器件的效率和稳定性。钙钛矿太阳能电池的埋底界面结构缺陷通常比顶部界面的缺陷更难操控和钝化。在过去的十年中，大量的研究工作聚焦到到钙钛矿顶部缺陷的钝化上，而对底部缺陷及其对器件性能的影响关注较少。钙钛矿通常以“至上而下”的方式生长，纳米级的结构缺陷极易在薄膜底部界面形成。目前，影响针孔和空洞动态形成因素尚不清楚。因此，探究影响底部空洞和针孔密度的关键机制至关重要。鉴于此，2019级博士研究生邓稳以Dion-Jacobson型准二维钙钛矿（BDAMA4Pb5I16）为例详细研究了在可扩展法（刮涂法）制备过程中钙钛矿薄膜中针孔和空洞的形成机制，并对此提出采用具有“亲液疏气”的超浸润基底来抑制针孔和孔洞的解决方案。
一、埋底孔洞和针孔的形成机制
研究发现，钙钛矿溶液在基底上的去浸润是导致埋底孔洞和针孔产生根本原因。溶液去浸润速度与接触角（θ）呈三次方的关系，这表明基底微小的浸润性变化将显著影响薄膜埋底界面质量。对此作者提出了埋底孔洞的形成机制，即干膜后期阶段，残余溶液底部和顶部的表面张力引起的毛细压差吸引溶液向上移动。在浸润性较差的基底上，溶液与基底的相互作用较弱，气泡更容易在疏水的基底上形成并长大，最终形成孔洞。针孔作为另一种结构缺陷，其形成与溶液可形成连续液膜的临界厚度密切相关。液膜临界厚度与溶液接触角有关，即越浸润的基底溶液铺展性更好，临界厚度越小，从而降低了薄膜制备过程针孔的形成。因此，提高基底的浸润性是抑制埋底孔洞和针孔最简单的方法。
二、解决方案及器件性能
基于该机制，作者采用具有“亲液疏气”的超浸润（θ < 10°）基底（NiOx）替代普通浸润的poly-TPD和PTAA有效地抑制了薄膜针孔和埋底孔洞。底部孔洞的减少一方面降低了界面的缺陷态密度，另一方面提高了钙钛矿薄膜与NiOx之间的相互作用力，提高了载流子的传输和抽取效率。最终，在超亲水的NiOx上制备的小面积（0.1 cm2）DJ型准2D钙钛矿太阳能电池效率达到16.26%，1.05 cm2的器件光电转换效率可达11.65%。与常用的PTAA基钙钛矿太阳能电池相比，基于NiOx的器件具有更高的紫外光照稳定性。这项工作深入揭示了可扩展法制备钙钛矿薄膜中针孔和埋藏空洞的形成机制，并为用超浸润衬底制备大面积无针孔和无空洞的钙钛矿薄膜提供了一种简单的策略。
上述研究由蔺云老师指导完成，得到国家自然科学基金、中南大学创新驱动项目、湖南省百人计划和长沙市自然科学基金等项目的支持。该工作以题为“Super hydrophilic, ultra bubble repellent substrate for pinhole free Dion-Jacobson perovskite solar cells”发表在物理类NI指数期刊《Applied Physics Letters》上。
论文原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0127262