大连化物所提出“溶剂–添加剂级联调控”策略实现单一取向钙钛矿薄膜制备

近日，太阳能光电转化与利用全国重点实验室、我所太阳能研究部（DNL16）李灿院士、刘劼玮副研究员等，在钙钛矿太阳电池晶面调控研究中取得新进展。研究团队提出“溶剂–添加剂级联调控”（Solvent–Additive Cascade Regulation，SACR）策略，通过协同调节溶剂诱导的中间相形成与添加剂主导的晶面生长动力学，实现了钙钛矿薄膜的单一取向可控生长，并揭示了晶面取向对器件性能与稳定性的决定性作用。

钙钛矿太阳电池因其高效率、低成本及工艺兼容性等优势，被认为是新一代光伏技术的重要候选材料。团队在前期研究中先后发展了在两步法中诱导高（111）取向钙钛矿薄膜的制备方法（Energy Environ. Sci.，2024），实现了高有序堆叠的（001）晶面钙钛矿薄膜（Adv. Funct. Mater.，2025），并揭示了晶面取向分布对器件性能的关键影响（ACS Appl. Mater. Interfaces，2025）。在此基础上，本工作进一步提出了可在溶液结晶阶段实现取向调控的新策略，有效解决了随机晶面取向导致的载流子传输损失与性能不稳定问题。

研究表明，溶剂体系在结晶前期通过形成特定的中间相结构，为晶体生长提供了初始取向模板。其中，DMF/DMSO体系倾向于生成与（111）晶面匹配的PbI₂·DMSO络合物，而DMF/NMP体系则更易形成与（100）晶面对应的PbI₂·(DMF/NMP)复合相。在此基础上，团队引入环己胺（CHA）和环己胺碘化物（CHAI）等添加剂，通过其在晶面的选择性吸附或化学反应，进一步调控晶面生长速率，从而实现了晶面取向从混合到单一化的精准调控。

系统表征结果表明，该SACR策略下获得的（100）与（111）取向薄膜在载流子动力学、缺陷分布及界面能级等方面存在显著差异：（100）取向薄膜具有更高的光生载流子寿命和更优的电荷传输能力，对应器件的光电转换效率达到25.33%；而（111）取向薄膜因晶格致密、离子迁移受限，表现出更优的环境稳定性。该研究实现了对钙钛矿晶面取向的可控调节，并揭示了晶面取向与器件性能之间的内在耦合关系，为通过晶面工程制备高效与高稳定性兼顾的钙钛矿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”为题，发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。该工作的第一作者是我所DNL16博士研究生周薄。该工作得到中国科学院B类先导专项“高效低成本大面积钙钛矿光伏电池研究”、国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、我所创新基金等项目的支持。（文/图 刘劼玮、周薄）

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee04415d