α-FAPbI3钙钛矿已经在高性能钙钛矿太阳能电池（PSCs）中占据主导地位，其通常用于旋涂的、常规的n-i-p结构的器件。由于FAPbI3钙钛矿的结晶动力学不可控和复杂的相变，α-FAPbI3尚未在通过刮涂技术制造的反式p-i-n结构PSCs中充分发挥其优势。中山大学吴武强研究团队通过在α-FAPbI3晶体的钙钛矿墨水中加入0.5 mol%的N-氨乙基哌嗪氢碘化物（NAPI）添加剂，创新性地开发了一种定制的晶体表面能调控策略，使得形成相纯的、高取向的α-FAPbI3薄膜。研究团队结合一系列原位表征方法解析了刮涂α-FAPbI3钙钛矿薄膜的相变机制和结晶动力学。NAPI与无机Pb-I框架之间的强化学相互作用有助于将（100）晶面的表面能降低42%，减缓结晶速度并降低α-FAPbI3的形成能。由此形成的基于（100）取向的α-FAPbI3钙钛矿薄膜的刮涂反式PSCs实现了高达24.16%的效率（比随机取向的薄膜高约26.5%），并且运行稳定性得到提高。
通过重新溶解预先合成的高结晶度钙钛矿微晶制备钙钛矿墨水，是一种具有可重复性和成本效益的获得高质量钙钛矿薄膜的重要方法。研究团队首先通过两种不同的合成路线，即冷却诱导结晶（CIC）和逆温结晶（ITC），合成了α-FAPbI3微晶。ITC得到的钙钛矿微晶表现出比CIC更高的结晶度，因此前者被用作钙钛矿墨水制备的原材料。为了调节结晶动力学，研究团队在前驱体中添加了具有乙胺基团的哌嗪环结构的NAPI作为添加剂。接下来，使用空气刀辅助刮涂技术，以高通量的方式制备了高度取向的α-FAPbI3钙钛矿薄膜（图1a）。
对于原始的FAPbI3钙钛矿，难以控制无机Pb-I八面体框架和有机铵盐之间的反应，这很容易导致钙钛矿晶体的随机取向生长，并形成δ-FAPbI3和α-FAPbI3钙钛矿的混合相，伴随着大量缺陷的产生。所有这些因素都会导致钙钛矿薄膜中的电子-空穴复合，从而最终损害器件性能。相比之下，在NAPI修饰的目标FAPbI3钙钛矿薄膜中，FAPbI3钙钛矿的成核和结晶过程得到了有效调控，从而有效降低了(100)晶面的表面能，减少了α-FAPbI3钙钛矿的形成能。实现高度取向的α-FAPbI3薄膜有助于促进电荷分离和电荷传输，这有助于抑制缺陷诱导的非辐射复合（图3a）。
图5. 器件光伏性能和稳定性测试
采用ITO/PTAA/2-PACz/FAPbI3/C60/BCP/Cu结构制造了刮涂反式PSC（图5a）。图5b显示了基于对照和目标钙钛矿薄膜的冠军PSC的电流密度-电压（J–V）曲线，并在表1中列出了相应的光伏参数，包括开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）和PCE。目标PSC在所有光伏参数方面均显示出同步改善，添加0.5 mol% NAPI后，优化的PSC的PCE最高达到24.16%，VOC为1.13V，JSC为25.95mA cm-2，FF为82.4%。
https://doi.org/10.1002/ange.202403196
