基板的反复重复使用通常会导致光伏性能逐渐下降，因为残留的碘化铅 (PbI₂) 会在介孔 TiO₂/钙钛矿界面处积聚。 在使用 DMF 等溶剂洗去降解的钙钛矿后，仍会有部分 PbI₂ 结合在 TiO₂ 表面。这种残留物会阻碍载流子提取，并减少用于负载新鲜钙钛矿的有效表面积，从而导致在后续循环中短路电流密度 (Jsc) 和开路电压 (Voc) 降低。
重复使用基板模板可以减少材料浪费和制造成本，但并非对性能没有影响。其主要限制在于渐进式的界面污染：残留的 PbI₂ 会使新鲜钙钛矿的重新负载不够完整，并破坏通过 TiO₂/钙钛矿接触点的电荷传输。
为什么反复重复使用会改变界面
溶剂冲洗后仍有 PbI₂ 残留
在回收的整体式器件中，降解的钙钛矿层使用 DMF 等有机溶剂去除。此过程可以清除大部分本体薄膜，但会将结合在介孔 TiO₂ 内部或表面的碘化铅留下。
因此，该残留物并不等同于完全恢复的 TiO₂ 模板。它成为了下一次钙钛矿层沉积过程中所遇到的界面的一部分。
新鲜钙钛矿无法完全恢复原始结构
残留的 PbI₂ 在下一次沉积循环中可能无法轻易转化回钙钛矿。结果，部分 TiO₂ 表面和介孔网络不再能用于有效的钙钛矿形成。
这减少了电子传输材料与新沉积的吸收层之间的有效接触面积。
载流子提取效率降低
TiO₂/钙钛矿界面是整体式钙钛矿太阳能电池中电子提取的核心。持久存在的富含 PbI₂ 的界面层会阻碍载流子穿过该结，并增加提取光生电子的难度。
实际后果是载流子收集减少，特别是在多次重复使用循环导致残留物变得更加广泛时。
电学性能如何下降
短路电流密度降低
较低的 Jsc 表明在短路条件下收集到的光生载流子较少。在回收的基板中，这与钙钛矿重新负载不完整、界面面积减少以及穿过 TiO₂/钙钛矿接触点的传输性能变差是一致的。
活性层在视觉上可能仍然存在，但与底层的传输结构提供的电学有效接触却减少了。
开路电压降低
残留材料的积累也会降低 Voc。这反映了维持高光电压所需条件的恶化，包括载流子提取效率降低以及潜在的更严重的界面复合。
Voc 的下降很重要，因为它表明重复使用不仅影响吸收层的负载，还改变了电子界面的质量。
功率转换效率累积下降
由于 Jsc 和 Voc 都会下降，整体功率转换效率会随着回收次数的增加而逐渐降低。这种趋势是累积性的，而不一定在单次重复使用循环后就出现灾难性后果。
这使得循环次数成为评估模板回收是否真正具有成本效益时的一个重要实验变量。
研究人员在加工过程中应控制什么
溶剂冲洗条件
清洁方案应被视为一个受控的工艺步骤，而不仅仅是去除操作。研究人员应记录所使用的溶剂、暴露时间、冲洗顺序、干燥条件以及各循环间工艺的任何变化。
更剧烈的冲洗可能会改善残留物的去除效果，但也必须评估其对介孔 TiO₂ 结构和底层透明导电氧化物的影响。
钙钛矿去除的完整性
基板看起来干净，可能仍带有化学结合的 PbI₂。因此，仅凭目视检查不足以判断模板是否已准备好进行下一次沉积循环。
相关的问题是，之前的钙钛矿层及其分解产物是否已被去除，且没有留下阻碍电学的残留物。
介孔 TiO₂ 表面的可及性
介孔层提供了与钙钛矿紧密接触所需的表面积。应评估重复加工是否导致孔隙仍然可及，以及残留物是否逐渐阻塞或覆盖了可用的界面。
即使名义上的沉积配方保持不变，可及表面积的减少也会限制新鲜钙钛矿的渗透。
新鲜薄膜沉积的一致性
在各个循环中，重新负载的条件应保持恒定，包括前驱体准备、沉积参数、干燥和转化条件。否则，薄膜质量的变化可能会被错误地归因于基板回收。
研究人员应区分模板诱导的退化和普通的沉积变异性。
逐循环电学测试
每个回收的器件都应使用相同的测试条件和测量顺序进行评估。跟踪 Jsc、Voc、填充因子 (FF) 和功率转换效率 (PCE) 随重复使用循环的变化，有助于确定退化主要是通过电流损失、电压损失还是两者兼有开始的。
在比较清洁方法或决定多少次重复使用循环是可以接受的时候，这一点尤为重要。
如何解释传输机制
问题不仅仅是“PbI₂ 总是坏的”
在某些钙钛矿架构中，PbI₂ 可以起到有益的钝化作用。然而，这里相关的问题是回收后留在 TiO₂ 模板上的持久性残留 PbI₂，它会阻碍新鲜钙钛矿的形成和载流子转移。
其影响取决于其位置、连续性以及与介孔界面的相互作用，而不仅仅取决于其化学成分。
界面阻碍和负载不完整共同作用
性能损失有两个相互关联的组成部分。残留的 PbI₂ 可以直接阻碍载流子传输，同时减少可用于有效钙钛矿重新负载的表面积和孔隙体积。
这种组合解释了为什么回收利用会随着时间的推移降低光电流和光电压。
理解权衡
更低的材料消耗与更低的器件性能
基板重复使用可以减少透明导电氧化物玻璃、介孔 TiO₂ 模板及相关制造资源的消耗。必须权衡这一好处与效率的逐渐损失以及恢复性能所需的额外加工。
只有当节省的成本超过因产出减少和额外的质量控制步骤而损失的价值时，回收基板才具有经济吸引力。
更多的清洁与结构损坏
增加清洁的强度或持续时间可能会去除更多的残留钙钛矿相关材料。然而，过度的加工可能会损坏或改变介孔传输层或其他基板组件。
因此，清洁应优化为在去除残留物的同时保持结构完整性，而不是追求最大程度的化学处理。
回收次数与可重复性
允许多次重复使用循环可能会提高名义上的材料利用率，但会使器件性能不那么均匀。残留 PbI₂、孔隙可及性和新鲜薄膜覆盖率的变异性可能会使器件之间的比较变得复杂。
定义一个最大重复使用次数可能比不受限制的回收在科学上更有用。
表观效率与真实工艺效率
保持可接受效率的回收器件可能仍需要更长的清洁时间、更多的检查或更多的失败负载。工艺评估应包括良率、循环时间、耗材和测量工作量，而不仅仅是性能最好的电池的效率。
为您的目标做出正确的选择
合适的回收策略取决于优先级是最大效率、工艺开发还是材料利用率。
- 如果您的主要重点是最大光伏性能： 使用严格的基板质量筛选，并在残留 PbI₂ 开始降低 Jsc 或 Voc 时限制重复使用。
- 如果您的主要重点是工艺优化： 系统地比较清洁方案，同时跟踪循环次数、残留物、钙钛矿重新负载质量以及所有关键器件参数。
- 如果您的主要重点是材料成本效率： 量化效率下降和增加的加工负担，并与重复使用基板节省的成本进行对比。
- 如果您的主要重点是可重复研究： 在各个循环中保持溶剂处理、干燥、沉积和测试条件恒定，并报告每个基板的重复使用历史。
只有当界面残留物、载流子传输和循环依赖性性能被视为一个整体进行测量，而不是作为单独的加工问题处理时，基板回收才是可行的。
总结表：
| 因素 | 对性能的影响 | 推荐做法 |
|---|---|---|
| 残留 PbI₂ | 降低 Jsc 和 Voc | 确保彻底冲洗并监测残留物 |
| 溶剂冲洗 | 去除不彻底会留下 PbI₂ | 优化每个循环的溶剂、时间和顺序 |
| 介孔 TiO₂ 可及性 | 减少钙钛矿负载的表面积 | 清洁后检查孔隙可及性 |
| 薄膜沉积一致性 | 变异性可能模拟回收效应 | 保持所有沉积参数恒定 |
| 逐循环测试 | 跟踪退化趋势 | 每个循环测量 Jsc、Voc、FF 和 PCE |
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