鈣鈦礦太陽(yáng)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(shù)的重要方向。近年來(lái)，基于自組裝單分子層（SAM）的倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)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(jié)構(gòu)和電子缺陷仍是制約其性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵瓶頸。
近日，青島能源所太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室逄淑平研究員與香港科技大學(xué)周圓圓教授團(tuán)隊(duì)，提出一種創(chuàng)新的晶體-溶劑化物預(yù)晶種（CSV）誘導(dǎo)生長(zhǎng)策略。該方法將低維鹵化物晶體-溶劑化物（PDPbI4·DMSO）作為“晶種”，預(yù)沉積于SAM修飾基底上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜底部結(jié)晶過(guò)程、微觀形貌及界面電子結(jié)構(gòu)的全面調(diào)控。
圖1 CSV預(yù)晶種的作用機(jī)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(rùn)性，促使鈣鈦礦前驅(qū)體溶液均勻鋪展。在結(jié)晶過(guò)程中，這些納米晶作為異相成核位點(diǎn)，加速鈣鈦礦生長(zhǎng)。同時(shí)，其結(jié)構(gòu)中鎖定的DMSO分子在熱退火時(shí)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(jìn)晶粒重組與生長(zhǎng)。這一機(jī)制結(jié)合晶種誘導(dǎo)，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(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將CSV預(yù)晶種法與狹縫涂布工藝結(jié)合，成功制備出入光面積為49.91 cm2的鈣鈦礦太陽(yáng)能微型組件，實(shí)現(xiàn)23.15%的轉(zhuǎn)換效率，放大后效率損失差小于3%。該結(jié)果在同類(lèi)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(yáng)能電池的界面調(diào)控提供了高效、可擴(kuò)展的解決方案，其提出的“晶體-溶劑化物預(yù)晶種”概念更是一個(gè)具有拓展性的材料平臺(tái)。通過(guò)調(diào)整有機(jī)陽(yáng)離子與溶劑，可衍生豐富CSV材料庫(kù)，為鈣鈦礦及其他軟晶格半導(dǎo)體光電器件的界面工程開(kāi)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(jié)構(gòu)
相關(guān)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(lèi)頂級(jí)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(tuán)、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的資助。
