鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優異的光電轉換效率和低成本制備，在過去十年間引發了廣泛的研究熱潮，并被認為是最有潛力替代傳統硅太陽能電池的下一代光伏技術之一。近年來，PSCs 的效率不斷提升，并不斷刷新著世界紀錄。
陜西師范大學劉生忠教授團隊近期取得重大突破，他們通過一種新穎的異質種子輔助策略，成功地控制了 FAPbI3 的結晶過程，并制備出高質量的鈣鈦礦薄膜，最終實現了 25.29% 的能量轉換效率 (PCE)，為該領域的發展注入了新的活力。該研究成果發表在國際期刊《Energy & Environmental Science》上。
異質種子輔助策略：控制結晶的關鍵
鈣鈦礦材料的結晶過程對器件的性能至關重要。傳統的鈣鈦礦薄膜制備方法，通常采用溶液法，但這種方法容易導致薄膜質量不均勻，存在大量缺陷，影響器件的效率和穩定性。
劉生忠教授團隊創新性地提出了異質種子輔助策略，利用 2,4-二氨基嘧啶 (DAP) 與鈣鈦礦前驅體之間的強相互作用，抑制溶劑主導的中間相形成，并促進 DAP-FA+[PbI3]- (δ) 異質種子的生成。這些異質種子在薄膜的初始形成階段快速轉變為所需的 α 相，引導后續的結晶過程，最終獲得高結晶性的 α-FAPbI3 薄膜。
該團隊首先使用化學氣相沉積 (CVD) 方法在銅箔上生長出單層石墨烯 (SLG)，并將其轉移到光纖上，然后將光纖繞轉石墨烯層，形成導電的光纖。再通過原子層沉積 (ALD) 技術沉積一層 Al2O3 薄膜作為介電層，并通過相同方法將另一層石墨烯卷繞在上面，形成器件的通道。最后，在通道層上沉積一層鈣鈦礦，作為器件的光敏元件。
異質種子輔助策略優勢
l 控制結晶過程： 異質種子輔助策略可以有效控制鈣鈦礦的結晶過程，抑制不必要的中間相的形成，從而提高鈣鈦礦薄膜的質量。
l 促進 α 相形成： 異質種子可以引導鈣鈦礦薄膜向所需的 α 相轉變，減少其他相的出現，從而提高器件的穩定性。
l 降低陷阱密度： 高結晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度，有利于電荷傳輸，減少電荷重組，提高器件的效率。
l 提高載流子壽命： 高結晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更長的載流子壽命，進一步提高了器件的效率和穩定性。
FAPbI3甲脒碘化鉛有機無機混合鈣鈦礦材料
特性
1. 高光吸收係數光電特性，直接能隙約為1.48電子伏特（eV），在可見光范圍內有良好的吸收性能，適合用于光伏應用。
2. 具有鈣鈦礦結構結晶特性，高品質的FAPbI3薄膜可以提供平滑的表面和較少的缺陷，于提高光電轉換效率非常重要。
3. 環境穩定性上，對濕度和溫度較為敏感，高濕度環境下易分解。通常需要添加穩定劑或者進行封裝來保護材料。
4. 製備方法上可以通過溶液製程（如旋轉涂佈法）來製備，簡便且成本低，有利于大規模生產。過程中通常需要進行退火處理，以促進晶體生長并提高薄膜的結晶品質。
5. 光伏應用前景，其優異的光電特性和潛在的高效率，被認為是下一代高效太陽能電池的潛力材料。還具有應用于LED和光檢測器等光電子器件的潛力。
突破性的成果
使用異質種子輔助策略制備的倒置鈣鈦礦太陽能電池，能量轉換效率 (PCE) 達到 25.29%。
器件表現出非凡的長期穩定性，表明該策略可以有效提高器件的穩定性，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用提供了新的可能性。
未來展望
劉生忠教授團隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的發展提供了新的思路。未來，研究人員將繼續探索更有效的結晶控制方法，并結合先進的表征手段和模擬計算，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性，推動該技術走向商業化應用。
原文出處: Energy & Environmental Science
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