研究背景
多尺度陽離子不均勻性一直是制約當(dāng)前甲脒-銫（FA-Cs）混合陽離子鈣鈦礦實現(xiàn)最佳光電轉(zhuǎn)換效率和耐久性的主要障礙。盡管該領(lǐng)域已嘗試從平面和橫截面視角均勻化鈣鈦礦薄膜中FA-Cs的整體分布，但對晶粒間陽離子不均勻性的理解及其調(diào)控能力——即在納米尺度上空間分辨單個晶粒間FA-Cs成分差異的能力——仍然不足。
成果簡介
在此，香港科技大學(xué)周圓圓團隊和美國田納西大學(xué)Mahshid Ahmadi等人合作在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Nanoscopic cross-grain cation homogenization in perovskite solar cells”的最新論文。
在本研究中，研究者揭示了作為鈣鈦礦薄膜基本組成單元的單個晶粒，其陽離子組成偏離了理想設(shè)定的比例，嚴(yán)重限制了界面光電子特性和鈣鈦礦層的耐久性。這一影響性能的納米尺度因素與熱力學(xué)驅(qū)動的形貌溝槽化相關(guān)，導(dǎo)致表面呈現(xiàn)分段式結(jié)構(gòu)。在晶粒三重結(jié)處，溝槽形成納米級陷阱，阻礙固態(tài)陽離子在晶粒間的混合，從而抑制晶粒間FA-Cs的均勻分布。
他們通過合理調(diào)控異質(zhì)界面能，研究者將這些納米級溝槽陷阱的深度降低了三倍，從而顯著提高了陽離子均勻性。具有較淺納米級溝槽陷阱的鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出更高的光電轉(zhuǎn)換效率（25.62%）以及在多種標(biāo)準(zhǔn)化國際測試協(xié)議下的穩(wěn)定性提升。研究者的研究強調(diào)了解析表面納米形貌對于實現(xiàn)均勻鈣鈦礦特性的關(guān)鍵作用。
研究亮點
(1) 本研究揭示了晶粒間FA–Cs陽離子不均勻性與晶界納米溝槽（nano-GTs）之間的直接聯(lián)系，并提出利用異質(zhì)界面化學(xué)調(diào)控nano-GTs幾何特征，以改善FA–Cs均勻性的方法。實驗通過在薄膜底部引入乙酸丁胺（BAAc）添加劑，有效降低了nano-GT深度，實現(xiàn)了前所未有的晶粒間陽離子均勻化。
(2) 研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A–Cs鈣鈦礦薄膜在結(jié)晶過程中，由于局部溶液環(huán)境的異質(zhì)性，初始晶粒間的成分差異不可避免，而晶界形貌溝槽化進一步阻礙了固態(tài)陽離子交換，導(dǎo)致最終FA–Cs分布不均勻。通過BAAc的預(yù)摻雜調(diào)控，nano-GT的深度減少三倍，使得晶粒間FA–Cs成分趨于均勻，從而優(yōu)化了薄膜表面電子能量學(xué)，并改善了異質(zhì)界面的載流子動力學(xué)。
(3) 在器件層面，優(yōu)化后的n-i-p結(jié)構(gòu)PSCs展現(xiàn)出高達25.62%的光電轉(zhuǎn)換效率，并在國際標(biāo)準(zhǔn)化測試協(xié)議（ISOS-L-1l最大功率點跟蹤測試、IEC 61215:2021 MQT 11熱循環(huán)測試和IEC 61215:2021 MQT 13濕熱測試）下表現(xiàn)出優(yōu)異的多因素穩(wěn)定性。
圖文解讀
圖1. 跨晶界微觀結(jié)構(gòu)。
圖2. 納米晶界溝槽深度對納米級跨晶界陽離子均勻性的影響。
圖3. 跨晶界陽離子均勻性對薄膜性能的影響。
圖4. 跨晶界陽離子均勻化對鈣鈦礦太陽能電池（PSC）性能的影響。
結(jié)論展望
本研究揭示了FA–Cs混合陽離子鈣鈦礦薄膜中晶粒間的陽離子不均勻性，并首次建立了其與納米溝槽（nano-GT）幾何特征之間的關(guān)聯(lián)。這一發(fā)現(xiàn)表明，盡管nano-GT的尺寸微小，卻在整個薄膜的陽離子分布、界面電學(xué)特性以及器件穩(wěn)定性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過調(diào)控nano-GT深度，研究者實現(xiàn)了跨晶粒的陽離子均勻化，從而提高了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性。這一研究不僅深化了對鈣鈦礦薄膜微觀結(jié)構(gòu)影響宏觀性能的理解，還為優(yōu)化金屬陽離子和鹵素陰離子的均勻性提供了新的調(diào)控策略，適用于混合Pb–Sn及混合I–Br等體系。更廣泛而言，該研究開辟了通過解析納米級晶粒結(jié)構(gòu)來提升多元素納米材料均勻性的新思路，為高效光伏器件、光探測器和高色純度發(fā)光器件的設(shè)計提供了重要的科學(xué)啟迪。
文獻信息
Hao, M., Yang, J., Yu, W. et al. Nanoscopic cross-grain cation homogenization in perovskite solar cells. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01854-y
