【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，太陽能光電轉(zhuǎn)化與利用全國重點實驗室、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽能研究部(DNL16)李燦院士、劉劼瑋副研究員等，在鈣鈦礦太陽電池晶面調(diào)控研究中取得新進展。研究團隊提出“溶劑–添加劑級聯(lián)調(diào)控”(Solvent–Additive Cascade Regulation，SACR)策略，通過協(xié)同調(diào)節(jié)溶劑誘導(dǎo)的中間相形成與添加劑主導(dǎo)的晶面生長動力學(xué)，實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的單一取向可控生長，并揭示了晶面取向?qū)ζ骷阅芘c穩(wěn)定性的決定性作用。
鈣鈦礦太陽電池因其高效率、低成本及工藝兼容性等優(yōu)勢，被認為是新一代光伏技術(shù)的重要候選材料。團隊在前期研究中先后發(fā)展了在兩步法中誘導(dǎo)高(111)取向鈣鈦礦薄膜的制備方法(Energy Environ. Sci.，2024)，實現(xiàn)了高有序堆疊的(001)晶面鈣鈦礦薄膜(Adv. Funct. Mater.，2025)，并揭示了晶面取向分布對器件性能的關(guān)鍵影響(ACS Appl. Mater. Interfaces，2025)。在此基礎(chǔ)上，本工作進一步提出了可在溶液結(jié)晶階段實現(xiàn)取向調(diào)控的新策略，有效解決了隨機晶面取向?qū)е碌妮d流子傳輸損失與性能不穩(wěn)定問題。
研究表明，溶劑體系在結(jié)晶前期通過形成特定的中間相結(jié)構(gòu)，為晶體生長提供了初始取向模板。其中，DMF/DMSO體系傾向于生成與(111)晶面匹配的PbI?·DMSO絡(luò)合物，而DMF/NMP體系則更易形成與(100)晶面對應(yīng)的PbI?·(DMF/NMP)復(fù)合相。在此基礎(chǔ)上，團隊引入環(huán)己胺(CHA)和環(huán)己胺碘化物(CHAI)等添加劑，通過其在晶面的選擇性吸附或化學(xué)反應(yīng)，進一步調(diào)控晶面生長速率，從而實現(xiàn)了晶面取向從混合到單一化的精準調(diào)控。
系統(tǒng)表征結(jié)果表明，該SACR策略下獲得的(100)與(111)取向薄膜在載流子動力學(xué)、缺陷分布及界面能級等方面存在顯著差異：(100)取向薄膜具有更高的光生載流子壽命和更優(yōu)的電荷傳輸能力，對應(yīng)器件的光電轉(zhuǎn)換效率達到25.33%；而(111)取向薄膜因晶格致密、離子遷移受限，表現(xiàn)出更優(yōu)的環(huán)境穩(wěn)定性。該研究實現(xiàn)了對鈣鈦礦晶面取向的可控調(diào)節(jié)，并揭示了晶面取向與器件性能之間的內(nèi)在耦合關(guān)系，為通過晶面工程制備高效與高穩(wěn)定性兼顧的鈣鈦礦光伏器件提供了新思路。
上述工作以“Solvent-Additive Cascade Engineering Enables Single-Oriented Perovskite Films with Facet-Driven Performance and Stability”為題，發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science)上。該工作的第一作者是我所DNL16博士研究生周薄。該工作得到中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“高效低成本大面積鈣鈦礦光伏電池研究”、國家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、我所創(chuàng)新基金等項目的支持。
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