AEM.华中科大陈炜：MAA创新策略突破大面积钙钛矿模块瓶颈实现结晶控制、环境稳定性与25.52%高效率

2025-09-04

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研究背景与挑战

钙钛矿太阳能电池（PSCs）虽在小面积器件展现突破性进展，但大面积模块（PSMs）的性能瓶颈仍是商业化的关键障碍，其根本问题在于大面积钙钛矿薄膜质量控制的困难。

相较于实验室惰性环境下的小面积制备，大面积制造面临复杂的结晶动力学控制与严苛的环境挑战，导致从电池到模块的显著效率损失。主要技术难点包括：

制程控制复杂性：溶液制备涉及前驱体浓度、溶剂特性及制程参数的精密协调，这些因素的交互作用使致密均匀薄膜形成极具挑战性，限制了大面积制程所需的宽广操作窗口。
材料稳定性矛盾：虽然以甲脒（FA）或铯（Cs）替代挥发性甲胺（MA）可提升热稳定性，但无MA的FACs钙钛矿易产生不良中间相且结晶行为难控；而过量Cs则会导致晶粒细化与结晶度下降。此外，FA+离子的大尺寸容易在薄膜中产生有害残留应变。
环境敏感性：空气中的湿气和氧气对卤化铅钙钛矿具高反应性，可能引发破坏性相变和结构崩解，严重影响器件稳定性。
研究策略局限：现有组分调控、添加剂工程等方法多专注单一面向，缺乏同时解决结晶控制与环境稳定性的整合策略，使得制备高质量大面积FACs钙钛矿薄膜仍是重大技术挑战。

研究团队

这篇研究由华中科技大学陈炜团队发表于知名学术期刊《Advanced Energy Materials》。研究团队提出引入双功能添加剂——巯基乙酰胺（mercaptoacetamide, MAA）的创新策略，旨在同时解决大规模制造中钙钛矿薄膜质量控制与环境稳定性的双重挑战。

MAA添加剂的核心作用机制包括：

结晶动力学调控：延迟结晶速率，拓宽制程窗口，促进大晶粒形成并改善晶体取向
缺陷钝化与质量提升：有效钝化空位缺陷，提高薄膜均匀性与结晶度
环境保护功能：凭借强还原性，保护钙钛矿薄膜在空气环境下免受水解和氧化损伤

透过MAA与钙钛矿组分的多重交互作用，该策略成功实现了结晶控制与环境稳定性的协同优化，为大面积高质量钙钛矿薄膜制备提供了有效解决方案。

实验方法与研究流程

研究以双功能添加剂巯基乙酰胺（MAA）为核心，建立了从小面积器件到大面积模块的完整技术路线，并结合理论计算深入解析作用机制。

关键材料体系：采用FACs钙钛矿系统（FAI、PbI?、CsBr），搭配C60电子传输层、poly-4pacz自组装单分子层，以及创新引入的MAA双功能添加剂。
制程技术路线：

基板处理与功能层制备：FTO基板经标准清洗后，依序沉积NiOx电洞传输层和SAM界面层
钙钛矿层制备：将不同浓度MAA引入前驱物溶液，采用刀片涂布法沉积，经真空处理和热退火形成高质量薄膜
器件完整化：依序制备PEAI钝化层、C??/BCP电子传输层及Cu电极。除金属电极外，所有制程均在空气环境下完成

规模化验证：成功将制程扩展至5×5 cm和14×14 cm大面积基板，透过雷射划线技术实现子电池串联互联，模块几何填充因子达96%。
理论与性能验证：结合密度泛函理论（DFT）计算阐明MAA缺陷抑制机制，并进行光热和湿热条件下的长期稳定性测试，全面验证添加剂效果

表征方法与成果

准费米能阶分裂 (QFLS)

准费米能阶分裂（QFLS）是衡量材料开路电压潜力的关键指针，同时能揭示非辐射复合损失的来源。本研究透过光致发光量子产率（PLQY）测量来定量评估 MAA 对缺陷钝化效果。

结果显示，经 MAA 处理的钙钛矿薄膜，其 PLQY 值高达 0.94%，远高于对照组的 0.25%。这表示薄膜内的非辐射复合显著减少，预示着器件性能，尤其是开路电压（VOC）的提升。根据 PLQY 值计算，ΔQFLS 增加了 34.04 meV，这与完整器件 VOC 的增加幅度相符。

Figure 4g. PLQY values of the perovskite films without or with MAA deposited on glass substrates

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J-V曲线测量 (电流-电压曲线)

J-V曲线用于直接测量太阳能电池及模块的光电转换效率(PCE)、短路电流密度 (Jsc)、开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF)。

结果：

小面积器件： 经优化 MAA 处理的小面积钙钛矿太阳能电池（有效面积 0.09 cm?），实现了卓越的 25.52% PCE，具体参数为 Jsc 24.76 mA cm??、Voc 1.203 V 和 FF 85.68%。相比之下，对照组器件的 PCE 为 23.46%，主要因 Voc 和 FF 的显著下降。此外，MAA 器件的迟滞指数（H-index）为 0.63%，显著优于对照组的 2.17%

Figure 6b. J–V curves of the champion PSCs for the control and MAA
中型模块： 将制程扩展至 11.09 cm? 的模块，MAA 处理的模块在反向扫描下实现了 22.87%的 PCE（稳定 PCE 为 22.48%），其 Voc 为 5.952 V、Jsc 4.70 mA cm??、FF 81.75%，并展现出良好的重现性。模块的 H-index 为 1.48%，对照组为 2.61% 。

Figure 6c. I–V curves of champion PSMs without or with MAA modification (aperture area 11.09 cm2, 5 sub-cells)
大面积模块：在更大面积（113.00 cm?）的模块上，MAA 处理的器件也实现了20.18% 的 PCE。

Figure 6f. I–V curves of champion PSMs with MAA modification (aperture area 113.00 cm2, 14 sub-cells)

在太阳能电池的效率测量中，EnliTech 的 SS-X AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器提供了稳定且精确的 AM1.5G 光源，其A+ 光谱等级确保了对新型太阳能电池（如钙钛矿/硅叠层电池）的精确表征。

外部量子效率 (EQE) 光谱

EQE光谱测量用于评估器件在不同波长光照下将入射光子转换为电子（电流）的效率。它能验证J-V 测量所得的 Jsc 值，并提供器件在不同光谱范围内的响应特性。

结果显示，冠军器件的 EQE 光谱积分 Jsc 值为 23.73 mA cm??，与 J-V 测量结果一致。(Figure S24)

对于太阳能电池的量子效率分析，EnliTech 的 QE-R 量子效率量测系统是全球1,000 多篇 SCI 论文信赖的选择。它提供 EQE/IQE/IPCE/SR测试能力，具备 300-2500 nm的宽波长范围和高于 99.5% 的重复性。

其他表征

薄膜形态与晶体结构分析(SEM, AFM, XRD, GIWAXS)

评估MAA对钙钛矿薄膜微观结构的影响。MAA引入后晶粒尺寸从199 nm增至386 nm，薄膜粗糙度降低，(100)晶向优先取向增强，残余拉伸应变显著减轻。(Fig. 2a-i)

载流子动力学分析(PL, TRPL, FLIM)

评估缺陷钝化效果与电荷传输特性。MAA处理后PL强度显著增强，载流子寿命从366.9 ns延长至867.1 ns，FLIM显示界面电子提取效率提升。(Fig. 4d-f)

能带结构与表面电位(UPS, KPFM)

分析MAA对能级对准的调控作用。MAA处理使功函数上移、导带底相应上移，薄膜呈现更强n型特征，KPFM显示表面电位分布更加均匀，有利于电荷传输。(Fig. 4a-c)

结晶动力学实时监测 (原位光学显微镜, 原位PL)

追踪MAA对结晶过程的调控机制。MAA显著延迟结晶速率，扩大制程窗口，退火过程中PL强度持续提升显示薄膜质量改善。(Fig. 3a-h)

理论计算验证(DFT)

阐明MAA缺陷抑制的分子机制。计算结果显示MAA吸附后空位缺陷形成能提高，有效抑制VPb、VI、VFA等缺陷形成。(Fig. 4h)

热稳定性与抗氧化性 (原位变温XRD,质谱分析)

评估MAA对材料稳定性的保护作用。MAA薄膜热分解温度从160°C提升至180°C，具备还原I2为I?的能力，有效抑制前驱体氧化。(Fig. 5a-i)

长期操作稳定性 (光热/湿热测试)

验证包器件在实际应用环境下的耐久性。光热条件下1120小时后保持94.5%效率，湿热条件下550小时后保持95.6%效率。(Fig. 6g-h)

结论

研究团队成功开发了巯基乙酰胺（MAA）双功能添加剂策略，系统性解决了大面积钙钛矿太阳能模块制造中的结晶控制与环境稳定性挑战。

核心技术突破：

结晶动力学优化：MAA延迟结晶速率并扩大制程窗口，晶粒尺寸从199 nm显著增至386 nm，(100)晶向优先取向增强，残余应变大幅减轻。
高效缺陷钝化：载流子寿命从366.9 ns延长至867.1 ns，PLQY从0.25%提升至0.94%，DFT计算证实MAA有效抑制空位缺陷形成。
能带调控与电荷传输：功函数从-4.85 eV调整至-4.64 eV，导带底上移促进n型特征，表面电位分布更加均匀，界面电子提取效率提升。
环境稳定性增强：热分解温度从160°C提升至180°C以上，MAA的还原特性有效抑制前驱体氧化，增强材料本质稳定性。
卓越器件性能：

小面积PSC达成25.52%高效率
11.09 cm?迷你模块实现22.87% PCE（稳定效率22.48%）
113.00 cm?大面积模块达到20.18% PCE
长期稳定性表现优异：光热条件1120小时后保持94.5%效率，湿热条件550小时后保持95.6%效率

原文信息

文章标题：Defect Engineering and Crystallization Kinetics Control via Dual-Functional Mercaptoacetamide for High-Performance, Large-Area Perovskite Solar Modules

出处（期刊名称）：Advanced Energy Materials

出版日期：2025.08.23

DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202502193

往期回顾

◆综观五个国家十篇顶刊文献，看QFLS 以及Mapping如何成为光伏诊断的新利器

◆无需完整器件制备，如何用QFLS在材料阶段就预测SAM钝化效果？看看李刚、侯毅等顶尖教授的研究实例

◆界面非辐射复合限制QFLS：看看英国光伏大牛Henry Snaith如何透过富勒烯混合物调整实现QFLS达1.33V与VOC匹配

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