鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本制備，在過去十年間引發(fā)了廣泛的研究熱潮，并被認(rèn)為是最有潛力替代傳統(tǒng)硅太陽能電池的下一代光伏技術(shù)之一。近年來，PSCs 的效率不斷提升，并不斷刷新著世界紀(jì)錄。

陜西師范大學(xué)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(zhì)種子輔助策略，成功地控制了 FAPbI3 的結(jié)晶過程，并制備出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，最終實現(xiàn)了 25.29% 的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，為該領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。該研究成果發(fā)表在國際期刊《Energy & Environmental Science》上。

異質(zhì)種子輔助策略：控制結(jié)晶的關(guān)鍵

鈣鈦礦材料的結(jié)晶過程對器件的性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)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(dǎo)致薄膜質(zhì)量不均勻，存在大量缺陷，影響器件的效率和穩(wěn)定性。

劉生忠教授團隊創(chuàng)新性地提出了異質(zhì)種子輔助策略，利用 2,4-二氨基嘧啶 (DAP) 與鈣鈦礦前驅(qū)體之間的強相互作用，抑制溶劑主導(dǎo)的中間相形成，并促進(jìn) DAP-FA+[PbI3]- (δ) 異質(zhì)種子的生成。這些異質(zhì)種子在薄膜的初始形成階段快速轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧?/span> α 相，引導(dǎo)后續(xù)的結(jié)晶過程，最終獲得高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜。
該團隊首先使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 方法在銅箔上生長出單層石墨烯 (SLG)，并將其轉(zhuǎn)移到光纖上，然后將光纖繞轉(zhuǎn)石墨烯層，形成導(dǎo)電的光纖。再通過原子層沉積 (ALD) 技術(shù)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(zhì)種子輔助策略優(yōu)勢

l  控制結(jié)晶過程： 異質(zhì)種子輔助策略可以有效控制鈣鈦礦的結(jié)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(zhì)量。

l  促進(jìn) α 相形成： 異質(zhì)種子可以引導(dǎo)鈣鈦礦薄膜向所需的 α 相轉(zhuǎn)變，減少其他相的出現(xiàn)，從而提高器件的穩(wěn)定性。

l  降低陷阱密度： 高結(jié)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(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更長的載流子壽命，進(jìn)一步提高了器件的效率和穩(wěn)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(shù)光電特性，直接能隙約為1.48電子伏特（eV），在可見光范圍內(nèi)有良好的吸收性能，適合用于光伏應(yīng)用。

2.      具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)結(jié)晶特性，高品質(zhì)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(zhuǎn)換效率非常重要。

3.      環(huán)境穩(wěn)定性上，對濕度和溫度較為敏感，高濕度環(huán)境下易分解。通常需要添加穩(wěn)定劑或者進(jìn)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(zhuǎn)涂佈法）來製備，簡便且成本低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。過程中通常需要進(jìn)行退火處理，以促進(jìn)晶體生長并提高薄膜的結(jié)晶品質(zhì)。

5.      光伏應(yīng)用前景，其優(yōu)異的光電特性和潛在的高效率，被認(rèn)為是下一代高效太陽能電池的潛力材料。還具有應(yīng)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(zhì)種子輔助策略制備的倒置鈣鈦礦太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到 25.29%。

器件表現(xiàn)出非凡的長期穩(wěn)定性，表明該策略可以有效提高器件的穩(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)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(fā)展提供了新的思路。未來，研究人員將繼續(xù)探索更有效的結(jié)晶控制方法，并結(jié)合先進(jìn)的表征手段和模擬計算，進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，推動該技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用。

原文出處: Energy & Environmental Science

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