科學家揭示合金鈣鈦礦薄膜內部化學組分偏析問題

9月30日，《自然》在線發表南開大學化學學院教授袁明鑒課題組與加拿大多倫多大學科研團隊聯合研究進展。

在研究中，團隊針對鈣鈦礦太陽能電池在高溫工況條件下穩定性不足這一領域難題進行深入研究，首次揭示了合金鈣鈦礦薄膜內部復雜的化學組分偏析問題。

基于此，研究團隊發展了一種全新的原位結晶動力學調控策略，成功制備出了兼具高效率與高工況穩定性的鈣鈦礦太陽能電池器件，標志著在該領域的重大技術突破。

研究指出，目前高性能鈣鈦礦太陽能電池在制備過程中往往需要依賴氯化甲銨添加劑來穩定物相并調控結晶。然而，這種添加劑在高溫條件下極易分解，引發鈣鈦礦薄膜化學組分失衡，進而顯著降低電池在高溫工況下的運行穩定性，成為制約高性能鈣鈦礦光伏商業化進程的主要障礙。

FACsPbI3合金鈣鈦礦具有高相態與化學穩定性，理論上無需依賴氯化甲銨添加劑，是實現高性能高穩定鈣鈦礦太陽能電池最有希望的候選材料。然而，傳統方法制備的FACsPbI3鈣鈦礦太陽能電池在實際應用中，性能與工況穩定性遠低于理論預期，原因亟待深入探討。因此，深挖鈣鈦礦光伏材料本征結構穩定性，理解FACsPbI3合金鈣鈦礦太陽能電池器件失效機制，實現高效高溫工況穩定的鈣鈦礦太陽能電池器件可控構筑，成為推動鈣鈦礦光伏技術進一步發展的迫切需求。

結晶路徑轉變策略實現高效率高溫工況穩定FACsPbI3鈣鈦礦太陽能電池  南開大學供圖

袁明鑒課題組長期致力于高性能鈣鈦礦半導體光電材料與器件研究。在持續探索新型高穩定鈣鈦礦材料體系過程中，課題組利用同步輻射光源等大科學裝置，在前期開展了大量的時間空間分辨原位表征實驗，系統探究了FACsPbI3合金鈣鈦礦的結晶動力學行為。基于以上研究，團隊首次揭示了在FACsPbI3合金鈣鈦礦中，由于時空差異性結晶行為導致的組分縱向梯度偏析問題，并指出該問題是導致FACsPbI3鈣鈦礦太陽能電池器件性能低和高溫工況穩定性不足的關鍵因素。

在此基礎上，課題組與合作單位開展了深入的理論模擬研究，闡明了該空間組分異質性的根本成因。隨后，通過理性篩選配體化學結構，結合多維度原位結晶動力學研究，研究團隊首次提出了具有普適性的結晶路徑調控轉換策略，最終實現了高質量無甲銨FACsPbI3鈣鈦礦薄膜可控制備，徹底解決了FACsPbI3鈣鈦礦薄膜的空間組分異質性問題。

利用該策略制備的FACsPbI3鈣鈦礦太陽能電池器件，展現出了世界一流的能量轉換效率與高溫工況穩定性。經過福建國家光伏產業計量中心和中國科學院上海微系統與信息技術研究所的權威認證，該器件的穩態能量轉換效率達到了目前正式鈣鈦礦太陽能電池的最高水平。

據介紹，該項研究成功實現了對鈣鈦礦半導體材料本征結構特性及構效關系的進一步深入理解，發展了高質量鈣鈦礦薄膜關鍵光伏材料可控制備新原理和新方法，為新一代鈣鈦礦光伏電池技術發展賦能。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08103-7