科学家揭示合金钙钛矿薄膜内部化学组分偏析问题

9月30日，《自然》在线发表南开大学化学学院教授袁明鉴课题组与加拿大多伦多大学科研团队联合研究进展。

在研究中，团队针对钙钛矿太阳能电池在高温工况条件下稳定性不足这一领域难题进行深入研究，首次揭示了合金钙钛矿薄膜内部复杂的化学组分偏析问题。

基于此，研究团队发展了一种全新的原位结晶动力学调控策略，成功制备出了兼具高效率与高工况稳定性的钙钛矿太阳能电池器件，标志着在该领域的重大技术突破。

研究指出，目前高性能钙钛矿太阳能电池在制备过程中往往需要依赖氯化甲铵添加剂来稳定物相并调控结晶。然而，这种添加剂在高温条件下极易分解，引发钙钛矿薄膜化学组分失衡，进而显著降低电池在高温工况下的运行稳定性，成为制约高性能钙钛矿光伏商业化进程的主要障碍。

FACsPbI3合金钙钛矿具有高相态与化学稳定性，理论上无需依赖氯化甲铵添加剂，是实现高性能高稳定钙钛矿太阳能电池最有希望的候选材料。然而，传统方法制备的FACsPbI3钙钛矿太阳能电池在实际应用中，性能与工况稳定性远低于理论预期，原因亟待深入探讨。因此，深挖钙钛矿光伏材料本征结构稳定性，理解FACsPbI3合金钙钛矿太阳能电池器件失效机制，实现高效高温工况稳定的钙钛矿太阳能电池器件可控构筑，成为推动钙钛矿光伏技术进一步发展的迫切需求。

结晶路径转变策略实现高效率高温工况稳定FACsPbI3钙钛矿太阳能电池  南开大学供图

袁明鉴课题组长期致力于高性能钙钛矿半导体光电材料与器件研究。在持续探索新型高稳定钙钛矿材料体系过程中，课题组利用同步辐射光源等大科学装置，在前期开展了大量的时间空间分辨原位表征实验，系统探究了FACsPbI3合金钙钛矿的结晶动力学行为。基于以上研究，团队首次揭示了在FACsPbI3合金钙钛矿中，由于时空差异性结晶行为导致的组分纵向梯度偏析问题，并指出该问题是导致FACsPbI3钙钛矿太阳能电池器件性能低和高温工况稳定性不足的关键因素。

在此基础上，课题组与合作单位开展了深入的理论模拟研究，阐明了该空间组分异质性的根本成因。随后，通过理性筛选配体化学结构，结合多维度原位结晶动力学研究，研究团队首次提出了具有普适性的结晶路径调控转换策略，最终实现了高质量无甲铵FACsPbI3钙钛矿薄膜可控制备，彻底解决了FACsPbI3钙钛矿薄膜的空间组分异质性问题。

利用该策略制备的FACsPbI3钙钛矿太阳能电池器件，展现出了世界一流的能量转换效率与高温工况稳定性。经过福建国家光伏产业计量中心和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的权威认证，该器件的稳态能量转换效率达到了目前正式钙钛矿太阳能电池的最高水平。

据介绍，该项研究成功实现了对钙钛矿半导体材料本征结构特性及构效关系的进一步深入理解，发展了高质量钙钛矿薄膜关键光伏材料可控制备新原理和新方法，为新一代钙钛矿光伏电池技术发展赋能。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08103-7