二维Ruddlesden-Popper钙钛矿太阳能电池的反向冷却退火过程研究

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二维 Ruddlesden-Popper 钙钛矿因其优异的光电特性和较好的环境稳定性，成为太阳能电池领域的热门研究对象。近年来，反向冷却退火（RCA）作为一种新兴的后处理技术，显示出在改善钙钛矿材料性能方面的潜力。

最近科研人员发表的一篇文章介绍了一种名为反向冷却退火 (RCA) 的新方法，用于制造稳定且高效的二维 (2D) Ruddlesden-Popper (RP) 钙钛矿薄膜。所提出的方法涉及对湿钙钛矿薄膜在高温和低温下进行连续退火。

钙钛矿太阳能电池(PSC)因其载流子迁移率高、吸收系数高和光伏性能优异而备受关注。具体而言，2DRPPSC表现出长期环境稳定性，但其光伏性能仍不如三维PSC。

2DRP钙钛矿薄膜的质量影响PSC的光伏性能。此外，溶剂蒸发速率、成核和晶粒生长速率高度依赖于退火过程。因此，2DRP钙钛矿薄膜的退火策略对于平面外方向上多个相的有序分布至关重要。

通过闪蒸退火法获得的闪蒸结晶法具有较高的成核和生长速率，可产生高质量的钙钛矿薄膜。因此，本研究提出了一种新颖的闪蒸退火工艺，即RCA法，用于制备2DRP钙钛矿(4FPEA)2(MA0.9FA0.1)3Pb4I13薄膜。

以氧化铟锡(ITO)玻璃为基底，旋涂相应的前驱体溶液制备NiOx;随后，将聚双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺(PTAA)旋涂于NiOx上，得到NiOx/PTAA薄膜;再将2DRP钙钛矿(4FPEA)2(MA0.9FA0.1)3Pb4I13前驱体溶液旋涂于NiOx/PTAA薄膜上。

将湿润的2DRP钙钛矿薄膜依次在120°C下退火8秒，在80°C下退火5分钟。所得薄膜被指定为RCA。同时，通过在120°C下退火5分钟（高温退火(HTA)）或在80°C下退火5分钟（低温退火(LTA)）制备2DRP钙钛矿薄膜。

随后，将6，6-苯基C61丁酸甲酯和2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲咯啉溶液旋涂在2DRP钙钛矿薄膜上，最后在复合钙钛矿薄膜上热蒸镀Ag电极。

采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分别表征2DRP钙钛矿薄膜的形貌和粗糙度；利用X射线衍射和掠入射广角X射线散射确定其结构；利用光致发光（PL）系统和紫外-可见分光光度计研究其光学特性。

利用电化学工作站表征了2DRPPSC的暗电流-电压曲线、电化学阻抗谱和莫特-肖特基曲线，并记录了它们的外量子效率（EQE）和电致发光（EL）光谱。

RCA方法有效提高了钙钛矿薄膜的晶体质量，第一步120℃退火8秒（HTA-8）促进了晶体在面外方向的生长，随后80℃低温退火5分钟则进一步促进了光滑均匀的钙钛矿薄膜的形成。

RCA衍生钙钛矿薄膜的PL强度高于仅暴露于HTA-8的薄膜，表明通过低温退火实现了钙钛矿结晶质量的提高。此外，RCA衍生PSC的光伏性能超过了包含HTA-8薄膜的PSC。

RCA衍生钙钛矿薄膜的SEM图像显示其表面非常光滑和致密。在RCA基钙钛矿薄膜中，晶粒连续且几乎没有晶粒边界。RCA基钙钛矿薄膜的光滑、坚固的表面和垂直取向有助于提高电荷传输和提取能力，从而显著提高短路电流密度。

基于HTA的钙钛矿薄膜表现出明显的表面损伤，而基于LTA的钙钛矿薄膜则显示出清晰的针孔、晶粒边界和一些随机取向的小晶粒。尽管厚度相似，但由RCA、HTA和LTA得到的钙钛矿薄膜的粗糙度分别为23.1nm、47.2nm和32.8nm。这些结果表明RCA方法可以有效生产出高质量的钙钛矿薄膜。

基于RCA、HTA、LTA的PSCs积分电流密度分别为18.36、13.77、14.41mA/cm2，稳态输出光电流密度分别为17.87、9.56、13.61mA/cm2。

在未使用氮气手套进行封装的PSC长期储存过程中，基于HTA的PSC在195小时后仍保持其初始PCE的72.1％；基于LTA的PSC在1000小时后仍保持其初始PCE的79.7％。而基于RCA的PSC具有出色的长期稳定性，在1000小时后仍保持其初始PCE的97.4％。

这项研究证明了RCA策略在制造具有优先平面外生长的高质量2DRP钙钛矿薄膜方面的有效性。RCA衍生的薄膜呈现出致密、无针孔的形态，减少了缺陷并提高了电荷传输性能。

由此产生的2DRPPSC表现出较高的载流子提取效率和最小的非辐射开路电压损失。最佳优化的器件实现了17.8%的功率转换效率(PCE)，并在氮气环境中保持稳定性超过1000小时而没有显著退化。这种RCA策略对于推进2DPSC的实际应用具有巨大的潜力。

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