关于单溶剂真空闪蒸（SSVF）策略制备高效钙钛矿太阳能电池的学术研究报告
第一， 研究的主要作者、机构及发表信息 本研究的通讯作者为中国苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）、生物启发界面材料科学国家重点实验室的Jun Peng教授，以及同机构的Xiao-Hong Zhang教授。第一作者及主要贡献者包括苏州大学的Huanyu Zhang、Yige Peng和Yurou Zhang等。该研究成果以题为“Unveiling the single-solvent vacuum-flash process for high-efficiency perovskite solar cells”的论文形式，发表于Energy & Environmental Science期刊。该期刊官方网站于2025年11月12日在线发布了这篇经过同行评审并被接受的稿件（Accepted Manuscript）。
第二， 研究的学术背景 本研究隶属于光电材料与器件领域，具体聚焦于钙钛矿太阳能电池的制备工艺。钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能，如高光吸收系数、高载流子迁移率和可调带隙，已成为下一代光伏技术的有力竞争者，其单结电池认证效率已达27.3%。然而，其商业化进程受到复杂、苛刻的成膜工艺的严重制约。 目前，制造高性能钙钛矿太阳能电池的主流方法（如两步沉积法和反溶剂法）存在显著缺陷。反溶剂法虽然能获得高效率，但其工艺时间窗口极窄，对环境温湿度极其敏感，且依赖于甲苯等有毒溶剂，使得规模化生产和安全性成为巨大挑战。真空闪蒸（VF）法作为一种替代方案，通过真空环境快速移除溶剂，避免了有毒反溶剂的使用，提高了工艺的可重复性和可扩展性。然而，传统VF方法通常依赖复杂的二元或多元高沸点溶剂混合物（如DMSO/DMF）。这些溶剂在快速挥发过程中，因蒸发速率差异、与铅离子的配位能力不同以及中间相分解路径复杂，使得结晶过程难以精确控制。特别是常用的“金标准”DMSO/DMF体系，DMSO的高沸点（189°C）、强配位能力和吸湿性，容易导致溶剂残留、形成过稳定的中间相、引发薄膜缺陷（如界面空洞），并损害器件的热稳定性和长期运行寿命。 因此，本研究旨在从根本上解决上述瓶颈。其核心目标是：开发一种简化的单溶剂真空闪蒸策略，通过精确控制溶剂挥发动力学，制备高质量、低缺陷密度的钙钛矿薄膜，从而获得高效率、高稳定性且易于规模化的钙钛矿太阳能电池。研究最终希望为推进钙钛矿太阳能电池的商业化提供一种可行且环保的工艺参考。
第三， 详细研究流程 本研究的工作流程系统且严谨，主要包含以下几个关键步骤：
1. SSVF工艺的开发与优化： * 研究样本/对象： 研究使用了多种钙钛矿组分的前驱体溶液，包括FA0.95Cs0.05PbI3、FAPbI3、FA0.8MA0.15Cs0.05Pb(I0.75Br0.25)3和FA0.8Cs0.2Pb(I0.6Br0.4)3。溶剂体系则聚焦于单一溶剂，包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺（DMAC）以及绿色溶剂γ-戊内酯。 * 详细步骤： * 旋涂成膜： 首先通过旋涂在基底上制备均匀的钙钛矿前驱体湿膜。 * 低温预冷： 随后，将湿膜置于冷板上冷却一段时间。这是本方法的关键创新点之一，通过降低湿膜温度来显著减缓溶剂的蒸发速率。 * 真空闪蒸： 紧接着，将冷却后的湿膜转移至真空闪蒸系统中，在设定的真空压力下快速移除过量溶剂。低温环境与真空条件的结合，实现了对溶剂挥发动力学的“精确调控”。 * 热退火： 最后，在热板上对薄膜进行退火处理，得到最终的钙钛矿结晶薄膜。 * 新颖方法/设备： 本研究核心是单溶剂真空闪蒸这一新型工艺。研究者通过系统改变冷板温度（如-6°C, -2°C, 2°C, 6°C，室温等）和真空处理时间，研究了工艺参数对薄膜形成的影响机制。研究过程中未提及开发全新硬件设备，但创造性地将低温控制与传统真空闪蒸工艺相结合，形成了一套新颖的、参数可调的实验方法。
2. 薄膜形成机理探究： * 实验方法与分析： 为了阐明SSVF的成膜机制，研究者进行了一系列深入的对比实验和表征分析。 * 形貌与结构表征： 利用扫描电子显微镜（SEM）观察不同工艺条件下制备的薄膜表面和截面形貌，重点检查了致密性和界面空洞的形成情况。通过X射线衍射（XRD）分析薄膜的结晶相（如光活性α相与非光活性δ相）以及中间相的存在。 * 溶剂残留分析： 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测真空闪蒸处理后前驱体薄膜中是否有残余溶剂的C=O特征峰，以验证溶剂去除效果。 * 溶剂挥发动力学模型： 基于实验结果，研究者提出了一个描述真空闪蒸过程中溶剂蒸发通量（J）的经验模型：J(t, T, p_vac) = [D(T) × δc(T, p_vac)] / [2k(T)]。其中，D是溶剂在覆盖层中的扩散系数（强烈依赖于温度T），δc是覆盖层两侧的溶剂浓度差（受T和真空压力p_vac影响），k是与初始溶液中溶质浓度和密度相关的比例常数。该模型为理解工艺参数如何影响成膜质量提供了理论框架。
3. 薄膜光电性能与缺陷表征： * 研究样本： 比较了由四种不同溶剂体系（DMSO/DMF、纯DMF、纯DMAC、纯GVL）通过优化后的SSVF工艺制备的钙钛矿薄膜。 * 测试方法： * 光学性能： 测量紫外-可见吸收光谱以确定薄膜的光学带隙；进行光致发光（PL）光谱和PL mapping测试，评估薄膜的发光强度和均匀性；进行时间分辨光致发光（TRPL）测试，通过双指数衰减函数拟合获取载流子平均寿命（τ_avg），以评估非辐射复合程度。 * 电学性能与缺陷： 制备了基于不同溶剂体系薄膜的电子唯器件，并进行空间电荷限制电流（SCLC）测试，计算薄膜的陷阱态密度（N_t），定量比较薄膜质量。 * 器件性能分析： 制备了完整的p-i-n结构钙钛矿太阳能电池器件（结构：FTO/SAM/钙钛矿/钝化层/C60/SnO2/Ag），并对不同溶剂体系制备的器件进行电流密度-电压（J-V）特性测试，统计其光电转换效率（PCE）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和短路电流密度（Jsc）。此外，还通过测量Voc随光强的变化关系来提取二极管理想因子（n_id），分析器件内的主要复合机制；通过莫特-肖特基（Mott-Schottky）测试获取器件的内建电势（V_bi）。
4. 器件稳定性测试： * 研究样本： 重点比较了由DMSO/DMF体系和纯DMF体系SSVF工艺制备的钙钛矿太阳能电池。 * 测试方法： * 薄膜热稳定性： 将两种薄膜在85°C的氮气环境中进行热老化，在不同时间点通过SEM观察形貌变化，通过XRD监测PbI2沉淀和相变情况，通过PL光谱监测发光峰位和强度的变化。 * 器件运行稳定性： 对封装后的器件进行最大功率点跟踪测试，在空气环境中连续光照运行1000小时，监测其效率保持率。
第四， 主要研究结果 1. SSVF工艺机理与优化结果： * 温度与形貌关系： SEM和XRD结果表明，湿膜温度是控制薄膜质量的关键。在室温下进行VF处理，溶剂挥发过快，导致薄膜底部形成大量界面空洞，且结晶度较差。在过低的温度（如-6°C）下，溶剂挥发过慢，XRD和FTIR证实有少量DMF残留，并可能形成中间相，但在后续退火过程中，温和的残余溶剂挥发不会产生空洞。在优化的低温（如-2°C）条件下，可以形成致密、无空洞、结晶度高的优质钙钛矿薄膜。该结果为公式（1）中的模型提供了实证：蒸发通量J需控制在一个适中的“窗口”内，过快或过慢均会导致缺陷。 * 工艺普适性验证： 研究成功将SSVF策略推广至DMAC和GVL等其他单一溶剂。通过调整冷板温度和真空压力（如DMAC: -4°C, 10 Pa; GVL: -6°C, 100 Pa），同样获得了高质量、无针孔和空洞的钙钛矿薄膜。这证明了该方法的广泛适用性。 * DMSO问题的揭示： 研究通过对比实验，直观解释了传统DMSO/DMF体系的问题。FTIR和XRD证实，即使在低温VF处理后，DMSO溶剂仍大量残留在前驱体薄膜中，并形成了极其稳定的MA2Pb3I8·2DMSO中间相。这些残留的DMSO在退火时剧烈挥发，正是导致薄膜底部出现“白化”空洞的根本原因。
2. 薄膜光电性能与缺陷表征结果： * 单溶剂体系的优势： 与DMSO/DMF体系相比，使用纯DMF、纯DMAC和纯GVL制备的钙钛矿薄膜均表现出更强的XRD衍射峰强度、更高的PL强度和更均匀的PL分布。TRPL测试显示，单溶剂薄膜的载流子平均寿命（DMF: 945.9 ns， DMAC: 831.9 ns， GVL: 344.0 ns）显著长于DMSO/DMF薄膜（229.0 ns）。SCLC测试计算出的陷阱密度也明确显示，单溶剂薄膜的缺陷态密度更低。这些数据一致表明，SSVF方法结合单溶剂体系能有效降低薄膜的非辐射复合中心。 * 器件性能的根源： 基于单溶剂薄膜的器件，其Voc与光强关系曲线拟合出的n_id值（DMF: 1.269， DMAC: 1.278， GVL: 1.329）更接近1，表明双分子复合占主导，而DMSO/DMF器件的n_id为1.395，表明陷阱辅助复合更严重。莫特-肖特基测试进一步显示，单溶剂器件具有更大的内建电势。这些结果从物理机制上解释了为何单溶剂器件有望获得更高的Voc和FF。
3. 器件光伏性能结果： * 高效率记录： 基于优化后的纯DMF溶剂SSVF工艺，制备的小面积（0.107 cm²）钙钛矿太阳能电池获得了26.93% 的冠军效率，并获得国家光伏产业计量测试中心认证效率为26.78%（稳态效率26.39%）。这是目前报道的基于真空闪蒸技术的最高效率之一。使用纯DMAC和绿色溶剂GVL也分别获得了26.88%和26.27%的高效率。 * 卓越的可扩展性： 将电池的有效面积放大至1.01 cm²时，基于纯DMF的器件仍能实现25.81% 的高效率（平均效率25.53%），这是文献中报道的1 cm²级钙钛矿太阳能电池的最高效率之一，证明了SSVF方法在大面积制备中的优越性，有效缓解了面积放大带来的性能损失。
4. 稳定性测试结果： * 显著提升的相稳定性： 在85°C氮气环境中热老化测试表明，DMSO/DMF薄膜在48小时后即出现明显的PbI2沉淀，且PL峰发生蓝移和展宽。而纯DMF薄膜在老化432小时后，仅出现微量PbI2，PL谱保持高度稳定。这归因于SSVF制备的单溶剂薄膜结晶性更佳，能有效抑制有机组分挥发和晶格收缩导致的降解途径。 * 优异的运行稳定性： 封装器件在空气环境中连续运行1000小时后，基于纯DMF的器件保持了超过94% 的初始效率，而基于DMSO/DMF的器件仅保留了77.6%。这直接证明了SSVF工艺在提升器件长期工作稳定性方面的巨大优势。
第五， 研究结论与价值 本研究成功开发了一种名为单溶剂真空闪闪蒸（SSVF）的简易、高效钙钛矿薄膜制备策略。该策略通过降低湿膜温度，实现了对溶剂挥发动力学的精确控制，从而避免了室温VF工艺中常见的界面空洞问题，制备出了结晶度高、缺陷密度低的致密钙钛矿薄膜。 本研究的科学价值在于：第一，深入揭示了单溶剂体系在VF过程中的结晶机制，并通过建立溶剂蒸发通量模型，为通过物理手段调控钙钛矿结晶路径提供了宝贵的理论见解。第二，明确指出了传统DMSO/DMF溶剂体系导致界面缺陷和稳定性问题的微观机理（残留溶剂及稳定中间相）。 其应用价值更为突出：第一，该方法将复杂的溶剂体系简化为单一组分，极大简化了工艺流程，降低了对环境控制的苛刻要求。第二，该方法成功应用于绿色溶剂GVL并获得了高效率，为开发环境友好、低成本的钙钛矿太阳能电池制造方案指明了方向。第三，该方法展示了卓越的可扩展性，能够制备出高效率的大面积电池，为钙钛矿太阳能电池的商业化铺平了道路。因此，这项工作为高性能、高稳定性、可规模化生产的钙钛矿太阳能电池的制造提供了一条切实可行的技术路径。
第六， 研究亮点 1. 方法创新： 提出了“单溶剂真空闪蒸”这一全新的薄膜制备策略，通过引入低温控制这一关键变量，实现了对溶剂挥发动力学的精细调控，解决了传统VF工艺中溶剂体系复杂、难以控制的问题。 2. 高性能突破： 使用该简易方法制备的钙钛矿太阳能电池取得了26.93%的冠军效率（认证26.78%），是真空闪蒸技术路线的顶尖水平；同时，在1.01 cm²的大面积器件上实现了25.81%的创纪录效率，证明了其卓越的可扩展性。 3. 机理阐释深入： 研究不仅展示了优异的性能，还通过系统的表征（XRD， FTIR， SEM）和模型构建，从溶剂残留、中间相形成、蒸发动力学等多个层面，深入阐释了SSVF方法为何能获得高质量薄膜，以及传统DMSO/DMF体系为何存在固有缺陷，使研究成果具有扎实的理论深度。 4. 环保与普适性： 方法成功拓展至绿色溶剂γ-戊内酯（GVL），并获得了超过26%的高效率，展示了其在推动钙钛矿技术走向环境友好制造方面的巨大潜力。同时，方法适用于多种钙钛矿组分和溶剂（DMF， DMAC， GVL），显示出广泛的适用性。 5. 稳定性显著提升： 基于SSVF制备的器件在热稳定性和运行稳定性上均大幅超越传统溶剂体系器件，为其实际应用奠定了坚实的可靠性基础。
第七， 其他有价值内容 本研究在支撑材料中还可能包含了对不同真空处理时间影响的研究（图S7， S8）、对不同钙钛矿组分薄膜的表征（图S2）、冠军器件的认证报告细节（图S18）、大面积器件的统计数据（图S20）以及与文献中其他大面积器件性能的对比（图S21， 表S2）等，这些内容进一步夯实了论文结论的可靠性和完整性。