【摘要】 本研究开发MACl蒸汽辅助新策略，精准解析中间相形成机制，实现100°C低温制备柔性钙钛矿电池，效率达24.46%。科学指南针提供理论计算支持，助力反应机理深度解析与工艺优化。

本研究开发了一种甲基氯化铵（MACl）蒸汽辅助处理碘化铅（PbI₂）的新策略，首次精准解析了低温下中间相（MAPbCl₃和PbI₆）的晶格结构及其向光活性α相甲脒碘化铅（α-FAPbI₃）的转化路径，成功实现了100°C低温制备高效柔性钙钛矿太阳能电池（f-PVSCs）。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力反应机理深度解析。

 

研究背景与柔性钙钛矿电池挑战

柔性钙钛矿太阳能电池（f-PVSCs）因其轻质、可弯曲特性，在可穿戴设备、便携式能源及航空航天领域极具应用潜力。然而，高效钙钛矿材料（如FAPbI₃）的制备面临重大挑战：

​技术瓶颈分析：​​

  • 传统制备需要150°C以上退火处理以稳定光活性α相

  • 高温工艺导致钙钛矿层与柔性基底热膨胀系数失配

  • 界面残余应力显著降低器件机械稳定性

  • 柔性基底耐热性差，高温下易变形收缩

 

创新方法：MACl蒸汽辅助工艺突破

本研究提出甲基氯化铵（MACl）蒸汽辅助（VA）法，通过精准解析PbI₂→中间相（MAPbCl₃/PbI₆）→α-FAPbI₃的反应路径，实现低温制备突破。

​技术核心创新：​​

  • 首次实现100°C低温制备高效柔性钙钛矿电池

  • 精准解析中间相形成机制与转化路径

  • 通过蒸汽辅助处理避免传统溶剂影响

  • 解决阳离子反应竞争导致的组分不均问题

 

中间相形成机制与应力分析

通过MACl蒸汽辅助处理PbI₂，研究团队精准解析了中间相的形成路径与残余应力起源。

​关键发现：​​

  • TEM显示PbI₂-VA薄膜中均匀分布的中间相

  • 傅里叶变换证实中间相晶格间距（2.86-6.76 Å）

  • 半原位XRD捕捉MAPbCl₃和PbI₆的快速形成

  • 不同温度下残余应力来源存在显著差异

 

低温成核与相变动力学优化

MACl蒸汽辅助工艺显著优化了低温下的成核与相变动力学过程。

​动力学优化效果：​​

  • VA工艺将100°C成核时间从19.0s缩短至3.8s

  • GIWAXS证实VA消除PbI₂信号并增强晶面取向

  • 中间相使100°C下跳过δ相直接生成α相

  • 反应焓变计算表明新路径能垒更低

 

阳离子反应竞争机制解析

通过吉布斯自由能计算和原位PL分析，深入研究阳离子竞争行为。

​竞争机制发现：​​

  • 传统两步法中，100°C时PbI₂优先结合FA⁺

  • 未处理薄膜出现FA⁺→MA⁺震荡富集现象

  • VA处理实现平面/纵向阳离子均匀分布

  • 有效抑制相分离，提升组分稳定性

工艺普适性与大面积制备优势

比较不同MACl引入方式，验证VA工艺的独特优势。

​普适性验证结果：​​

  • 仅VA与表面涂层能生成中间相

  • 深度XPS证实VA使Cl元素深度渗透

  • VA处理的PbI₂薄膜中间相分布均匀

  • 9点UV-vis验证薄膜吸光度均一性最优

 

器件性能与稳定性突破

基于MACl蒸汽辅助工艺的器件展现出卓越的性能表现。

​性能里程碑：​​

  • 柔性器件效率达24.46%（0.04cm²）和22.04%（1.01cm²）

  • 刚性器件效率达25.50%，创低温制备纪录

  • MPP追踪1500小时保持84.8%初始效率

  • 弯曲测试8000次后效率保持84.65%

 

研究总结与产业化前景

MACl蒸汽辅助工艺为低温制备高性能柔性钙钛矿器件提供了完整的解决方案。

​技术突破价值：​​

  • 实现100°C低温下高效柔性器件制备

  • 精准解析中间相形成与转化机制

  • 解决残余应力和阳离子竞争关键问题

  • 为产业化提供可扩展的工艺方案

 

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