研 究 背 景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）商业化进程加速，但实验室研究长期依赖溶液法，面临有毒溶剂、多层架构兼容性差、规模化受限等瓶颈。干法真空升华作为半导体工业成熟技术（如OLED量产），因无溶剂、可扩展性强，已被37%的组件制造商和71%的设备供应商纳入技术路线。然而，该技术长期受困于前驱体复杂反应动力学导致的工艺控制难、石英晶体微天平（QCM）监测精度不足，且器件效率多停留在18%–22%，显著低于溶液法。此外，多组分钙钛矿的添加剂工程在真空共蒸中难以复现，进一步制约了其发展。如何建立标准化的真空工艺控制方法，实现溶液法可比拟的效率与批次稳定性，成为推动该技术工业应用的关键。

成 果 介 绍

韩国化学技术研究院Beom‐Soo Kim等人建立了一套标准化的干法真空升华策略，仅使用PbI₂、CsI和FAI三种本征前驱体，不添加任何体相添加剂，通过QCM原位记录沉积日志数据，实现了对沉积速率和膜厚的精确控制。系统对比了顺序沉积（sequential deposition）与共沉积（co-deposition）两种路线，发现顺序沉积在略富FAI条件下可获得更致密的结构和更优的光电质量。结合高粗糙度FTO基底、减反射（AR）涂层及PbCl₂界面层的器件工程优化，最终获得了独立认证的冠军光电转换效率（PCE）25.4%（正扫25.42%，反扫25.04%），开路电压1.16 V，短路电流密度26.80 mA/cm²。尤为关键的是，该工艺在8个独立批次共90个电池中展现出卓越的批次稳定性，平均效率达24.11%，标准差仅0.36%。该成果以“Dry Vacuum Processing of Perovskite Films: Insights Into Growth and Precision Control Enabling Batch-Stable High-Efficiency Solar Cells”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1. 以PbI₂为基准的QCM标准化校准方法

针对有机卤化物（如FAI）软质、粘附性可变导致的厚度监测难题，研究创新性地在所有源位以PbI₂进行校准，将CsI和FAI的QCM信号统一归一化为PbI₂等效厚度，消除了薄膜密度不确定性的影响，实现了成分比例的精确计算与可重复控制。

2. 顺序沉积与共沉积的生长机制解析

通过系统对比发现，两种路线遵循截然不同的结晶动力学：共沉积中所有前驱体同步共成核，FAI分数直接决定结晶度与相稳定性；顺序沉积则先形成PbI₂–CsI模板层，再经FAI扩散驱动转化为钙钛矿，晶粒生长时间更充分，因此获得更大的微米级晶粒和更长的载流子寿命（TRPL寿命最高达368.8 ns）。

3. 原子级厚度演化模型

研究揭示了真空制备钙钛矿薄膜在转化过程中的反直觉密度变化：低FAI含量时，PbI₂（001）层间距（7.04 Å）向钙钛矿（6.38 Å）转变导致垂直收缩，横向膨胀被残余PbI₂吸收，表观相对密度反而大于1；当FAI过量时，横向膨胀产生的压缩应力通过面外屈曲释放，导致厚度显著增加。该模型为理解真空生长中的应变弛豫与形貌控制提供了理论框架。

4. 无添加剂纯碘体系实现窄带隙与高效率

由于未使用Br或Cl等卤素添加剂，真空制备的CsFAPbI₃薄膜直接结晶为黑相，带隙窄至1.53 eV，EQE积分电流密度高达26.86 mA/cm²，避免了卤素掺杂引起的带隙展宽损失，使器件性能更接近Shockley-Queisser极限。

5. 面向工业化的批次一致性

8批次90电池的统计结果显示，PCE、Voc、FF、Jsc的波动极小（Jsc平均25.83 mA/cm²，标准差0.23 mA/cm²），证明真空升华工艺具有与基底尺寸无关的内在生长动力学一致性，为从实验室到产线的放大提供了坚实基础。

图 文 解 析

图1展示了顺序沉积与共沉积的真空升华系统示意图及QCM原位沉积速率日志。顺序沉积先共蒸PbI₂与CsI，再单独沉积FAI；共沉积则三者同时蒸发。日志数据显示，一旦速率稳定即保持恒定，确保了成分均匀性。

图2通过EDX验证了计算I/Pb比与实测值的线性关系（斜率≈1），证实了成分控制方法的可靠性。吸收光谱显示顺序沉积薄膜在相同成分下具有更高的吸光度；TRPL衰减曲线表明顺序沉积的载流子寿命普遍长于共沉积；XRD显示顺序沉积的FWHM在整个成分范围内保持较低且稳定，而共沉积的结晶度随FAI含量变化显著。示意图揭示了顺序沉积的扩散驱动晶粒粗化机制与共沉积的即时反应限制机制。

图3的SEM图像显示，顺序沉积获得了微米级大晶粒且截面更致密。厚度分析表明薄膜厚度与FAI沉积量正相关，但相对密度呈现先升后降的非单调趋势。原子尺度模型解释了PbI₂到钙钛矿转化时的垂直收缩与横向膨胀，以及过量FAI引起的面外屈曲现象。

图4的器件性能箱线图显示，顺序沉积在I/Pb=3.30时达到最优性能，而共沉积在3.15附近最优，反映了顺序沉积需要更多FAI以补偿扩散过程中的前驱体损失。

图5展示了器件结构优化策略：将FTO粗糙度从27 nm提升至35 nm以增强光散射，叠加玻璃侧减反射涂层，并在SnO₂与钙钛矿之间插入10 nm真空蒸镀PbCl₂界面层。该层既通过氯离子钝化缺陷，又作为模板促进晶粒粗化，使Jsc从23.7提升至26.8 mA/cm²，Voc从1.11提升至1.13 V。

图6的批次统计图直观展示了8批次器件的优异重现性：PCE平均24.11%、标准差0.36%；Voc平均1.13 V、标准差0.02 V；Jsc平均25.83 mA/cm²、标准差0.23 mA/cm²。冠军电池的J-V曲线正反扫几乎无迟滞，EQE光谱及微分分析确认带隙为1.53 eV。

研 究 小 结

本研究通过建立基于QCM原位日志的标准化真空工艺控制方法，系统解析了顺序沉积与共沉积钙钛矿薄膜的生长动力学差异，提出了原子级厚度演化模型，阐明了横向应变与面外屈曲的耦合机制。在无体相添加剂的纯碘体系下，通过顺序沉积结合界面与光学工程，实现了独立认证25.4%的冠军效率和1.53 eV的窄带隙，并将批次标准差控制在0.36%以内。这项工作不仅打破了“真空法效率低、难控制”的固有认知，更以其优异的批次稳定性和与半导体产线兼容的工艺属性，为钙钛矿太阳能电池的工业化量产提供了一条极具竞争力的技术路线。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Dry Vacuum Processing of Perovskite Films: Insights Into Growth and Precision Control Enabling Batch-Stable High-Efficiency Solar Cells

文章研究方向：

太阳能电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70236

DOI: 10.1002/cey2.70236

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 21.4

5-年影响因子 21.3

JCR分区 Q1

CiteScore 32.7

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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