鈣鈦礦太陽能電池因其高效率和溶液可加工性，被視為下一代光伏技術的重要方向。近年來，基于自組裝單分子層（SAM）的倒置結構鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在效率上取得顯著突破，但其底部界面難以控制的微觀結構和電子缺陷仍是制約其性能和穩(wěn)定性的關鍵瓶頸。
近日，青島能源所太陽能光電轉化與利用全國重點實驗室逄淑平研究員與香港科技大學周圓圓教授團隊，提出一種創(chuàng)新的晶體-溶劑化物預晶種（CSV）誘導生長策略。該方法將低維鹵化物晶體-溶劑化物（PDPbI4·DMSO）作為“晶種”，預沉積于SAM修飾基底上，從而實現(xiàn)對鈣鈦礦薄膜底部結晶過程、微觀形貌及界面電子結構的全面調控。
圖1 CSV預晶種的作用機制
CSV納米晶具有各向異性棒狀形貌，可改善疏水SAM表面的浸潤性，促使鈣鈦礦前驅體溶液均勻鋪展。在結晶過程中，這些納米晶作為異相成核位點，加速鈣鈦礦生長。同時，其結構中鎖定的DMSO分子在熱退火時可控釋放，形成“晶格約束溶劑退火”環(huán)境，在薄膜底部提供溫和溶劑氛圍，促進晶粒重組與生長。這一機制結合晶種誘導，有效消除了界面孔洞、平滑了晶界凹槽，獲得了致密且取向更優(yōu)的底部晶體結構。研究團隊進一步將CSV預晶種法與狹縫涂布工藝結合，成功制備出入光面積為49.91 cm2的鈣鈦礦太陽能微型組件，實現(xiàn)23.15%的轉換效率，放大后效率損失差小于3%。該結果在同類研究中表現(xiàn)出優(yōu)異的工藝放大能力與均勻性控制水平。該工作不僅為反式鈣鈦礦太陽能電池的界面調控提供了高效、可擴展的解決方案，其提出的“晶體-溶劑化物預晶種”概念更是一個具有拓展性的材料平臺。通過調整有機陽離子與溶劑，可衍生豐富CSV材料庫，為鈣鈦礦及其他軟晶格半導體光電器件的界面工程開辟了新范式。
圖2 “晶格約束溶劑退火”后鈣鈦礦薄膜的微觀結構
相關成果以“Crystal-solvate pre-seeded synthesis for scalable perovskite solar cell fabrication”為題，近日發(fā)表于能源、材料類頂級期刊Nature Synthesis上，青島能源所孫秀紅與港科大郝明偉為論文的第一作者，周圓圓與逄淑平為論文的通訊作者。該工作得到了招商局集團、國家自然科學基金等多個項目的資助。
