近日，中國科學(xué)院院士、大連化學(xué)物理研究所研究員李燦團(tuán)隊(duì)，在鈣鈦礦太陽電池晶面調(diào)控研究中獲進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了“溶劑–添加劑級(jí)聯(lián)調(diào)控”（SACR）策略，通過協(xié)同調(diào)節(jié)溶劑誘導(dǎo)的中間相形成與添加劑主導(dǎo)的晶面生長動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的單一取向可控生長，并揭示了晶面取向?qū)ζ骷阅芘c穩(wěn)定性的決定性作用。

鈣鈦礦太陽電池因高效率、低成本及工藝兼容性等優(yōu)勢，被認(rèn)為是新一代光伏技術(shù)的重要候選材料。團(tuán)隊(duì)在前期研究中，發(fā)展了在兩步法中誘導(dǎo)高（111）取向鈣鈦礦薄膜的制備方法，實(shí)現(xiàn)了高有序堆疊的（001）晶面鈣鈦礦薄膜，并揭示了晶面取向分布對(duì)器件性能的關(guān)鍵影響。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了可在溶液結(jié)晶階段實(shí)現(xiàn)取向調(diào)控的新策略，解決了隨機(jī)晶面取向?qū)е碌妮d流子傳輸損失與性能不穩(wěn)定問題。

研究表明，溶劑體系在結(jié)晶前期通過形成特定的中間相結(jié)構(gòu)，為晶體生長提供了初始取向模板。DMF/DMSO體系，傾向于生成與（111）晶面匹配的PbI2·DMSO絡(luò)合物。DMF/NMP體系，更易形成與（100）晶面對(duì)應(yīng)的PbI2·（DMF/NMP）復(fù)合相。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)引入環(huán)己胺和環(huán)己胺碘化物等添加劑，通過其在晶面的選擇性吸附或化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步調(diào)控晶面生長速率，從而實(shí)現(xiàn)晶面取向從混合到單一化的精準(zhǔn)調(diào)控。

系統(tǒng)表征結(jié)果表明，該SACR策略下獲得的（100）與（111）取向薄膜，在載流子動(dòng)力學(xué)、缺陷分布及界面能級(jí)等方面存在顯著差異。其中，（100）取向薄膜具有更高的光生載流子壽命和更優(yōu)的電荷傳輸能力，對(duì)應(yīng)器件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.33%。而（111）取向薄膜因晶格致密、離子遷移受限，表現(xiàn)出更優(yōu)的環(huán)境穩(wěn)定性。

該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦晶面取向的可控調(diào)節(jié)，揭示了晶面取向與器件性能之間的內(nèi)在耦合關(guān)系，為通過晶面工程制備高效與高穩(wěn)定性兼顧的鈣鈦礦光伏器件提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。