研究背景
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）是一種新型光伏器件，因其高光電轉換效率（PCEs）和低成本制備工藝，被廣泛應用于可再生能源領域。與傳統(tǒng)的硅基光伏材料相比，鈣鈦礦材料具有可溶液加工、帶隙可調、高吸光系數等優(yōu)點。然而，鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性問題仍然是限制其商業(yè)化應用的關鍵挑戰(zhàn)之一。特別是，在當前廣泛使用的三碘化甲脒鉛（FAPbI?）體系中，純相FAPbI?易發(fā)生相變，導致光電性能劣化。因此，通常引入銫（Cs）陽離子形成FA–Cs混合鈣鈦礦，以提高結構穩(wěn)定性。然而，FA–Cs的均勻混合在納米、微米和宏觀尺度上都面臨挑戰(zhàn)，導致器件性能的不穩(wěn)定性。在此，香港科技大學周圓圓團隊和美國田納西大學Mahshid Ahmadi合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Nanoscopic cross-grain cation homogenization in perovskite solar cells”的最新論文。該團隊通過在薄膜底部預摻入乙酸丁胺（BAAc）添加劑，成功調控了薄膜表面納米級溝槽陷阱（nano-GTs）的形貌特征，實現了晶粒間FA–Cs陽離子的均勻化。研究發(fā)現，薄膜結晶過程中，由于局部溶液環(huán)境的異質性，不同晶粒的FA–Cs比率存在差異，而晶粒三重結處的nano-GTs會阻礙晶粒間的固態(tài)陽離子交換，進一步加劇成分不均勻性。該團隊利用BAAc有效降低nano-GTs深度，使其減少三倍，從而促進晶粒間陽離子的均勻分布。 利用該策略，研究人員顯著提高了薄膜的表面電子能量學特性，優(yōu)化了異質界面載流子動力學，并提升了薄膜的穩(wěn)定性和界面機械可靠性。最終，采用淺nano-GTs的n-i-p結構PSCs實現了高達25.62%的光電轉換效率，并在ISOS-L-1l最大功率點跟蹤測試、IEC 61215:2021 MQT 11熱循環(huán)測試和IEC 61215:2021 MQT 13濕熱測試等多種國際標準化測試協(xié)議下表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這一研究建立了鈣鈦礦表面納米形貌與陽離子分布之間的直接聯(lián)系，為提升PSCs的性能和穩(wěn)定性提供了新的理論依據和技術路徑。
研究亮點
(1) 本研究首次揭示了晶粒間FA–Cs陽離子不均勻性在納米尺度上的影響，并提出通過調控納米級溝槽陷阱（nano-GTs）來改善鈣鈦礦薄膜的成分均勻性，最終獲得了更加均勻的FA–Cs分布和優(yōu)化的光電性能。(2) 實驗通過在薄膜底部預摻入乙酸丁胺（BAAc）添加劑，有效降低了nano-GT的深度，使其減少至原來的三分之一，從而促進了晶粒間陽離子的均勻分布。結果表明，這種優(yōu)化的FA–Cs分布顯著改善了薄膜的表面電子能量學，并提升了異質界面的載流子動力學。 (3) 在器件性能方面，采用淺nano-GTs的n-i-p結構PSCs達到了25.62%的光電轉換效率，并在多項國際標準化測試（ISOS-L-1l最大功率點跟蹤測試、IEC 61215:2021 MQT 11熱循環(huán)測試和IEC 61215:2021 MQT 13濕熱測試）中展現出優(yōu)異的多因素穩(wěn)定性。
圖文解讀
圖2. 納米晶界溝槽深度對納米級跨晶界陽離子均勻性的影響。 圖4. 跨晶界陽離子均勻化對鈣鈦礦太陽能電池（PSC）性能的影響。
總結展望
本文揭示了原始FA–Cs混合陽離子鈣鈦礦薄膜中非平凡的晶粒間陽離子不均勻性，并建立了這一晶粒間變化與納米溝槽（nano-GT）幾何特征之間的關聯(lián)。盡管nano-GT的尺寸相對較小，但它們顯著影響整個鈣鈦礦薄膜的FA–Cs陽離子分布。通過減淺nano-GT的深度，可以促進晶粒間的陽離子均勻化，進而改善界面性質，并提升鈣鈦礦太陽能電池的性能。本研究強調了鈣鈦礦中納米尺度晶粒解析微結構的重要性，其影響范圍甚至超越nano-GT。圍繞這一方向的基礎研究為提升PSCs性能提供了新的視角，并與現有策略形成互補。除了FA–Cs體系之外，本研究所提出的納米級晶粒間組分調控策略還可拓展至金屬陽離子和鹵素陰離子均勻性的優(yōu)化，例如用于改善混合Pb–Sn及混合I–Br鈣鈦礦的均勻性，這對疊層器件的發(fā)展至關重要。在光伏應用之外，解析鈣鈦礦材料的納米級晶粒間結構和功能不均勻性，還將促進高靈敏度光探測器和高色純度發(fā)光器件的發(fā)展。從更廣泛的納米研究視角來看，本研究為多元素納米材料的表面納米形貌調控及均勻性能優(yōu)化提供了范例。Hao, M., Yang, J., Yu, W. et al. Nanoscopic cross-grain cation homogenization in perovskite solar cells. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01854-y
