钙钛矿太阳能电池（PSC） 凭借其高效率和低成本的优势， 被认为是下一代光伏技术的主力军。 但是， 钙钛矿材料本身的稳定性和可控性问题， 是限制其大规模应用的关键因素。 近年来， 科学家们一直致力于开发更稳定高效的钙钛矿太阳能电池， 并在材料、 结构、 制备工艺等方面取得了显着的进展。

近期， 香港科技大学周圆圆教授团队 在Nature Energy 期刊发表了重磅研究成果。 他们的研究揭示了钙钛矿薄膜单个晶粒表面的微观特征， 并提出了一种全新的 “微表面工程” 策略， 以提升钙钛矿太阳能电池的性能。

【晶粒表面凹陷： 隐藏的效率和稳定性杀手】

钙钛矿薄膜是由一个个微小的晶粒组成， 而单个晶粒的表面形状会影响薄膜在微观层面的性质。 然而， 人们对晶粒表面的几何特征鲜有研究。 周圆圆教授团队的这项研究发现了钙钛矿薄膜晶粒表面存在的 “晶粒表面凹陷”（GSC）, 并揭示了 GSC 对钙钛矿太阳能电池性能的影响。

周圆圆教授 是香港科技大学化学系的教授， 她的团队在钙钛矿太阳能电池和有机光电子材料领域拥有丰富的研究经验， 并在国际重要期刊发表了大量的科研论文。

研究团队发现:

钙钛矿薄膜晶粒表面的 GSC 主要是由晶粒生长过程中的两种现象造成的:

n  双轴拉伸应变: 当晶粒融合时， 会产生双轴拉伸应变， 导致晶粒表面出现凹陷。

n  晶界沟槽: 随着晶粒的长大， 晶界也会逐渐变粗， 在表面形成沟槽， 这些沟槽也可能会导致晶粒表面出现凹陷。

GSC 对钙钛矿太阳能电池性能的影响非常显着， 主要体现在以下几个方面：

n  影响载流子传输: GSC 存在于钙钛矿/电荷传输层（CTL） 的界面， 会阻碍载流子在界面处的收集， 从而降低电池效率。

n  降低界面稳定性: GSC 会增加界面的化学和热机械应力， 进而降低钙钛矿/CTL 界面的稳定性。

【揭秘钙钛矿薄膜表面的奥秘-巧妙消除 “晶粒表面凹陷”， 实现突破性效率和稳定性提升】

为了克服 GSC 对钙钛矿太阳能电池性能带来的不利影响， 周圆圆教授团队设计了有效的策略， 通过引入 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFSAP)， 有效地抑制了钙钛矿晶粒的生长， 从而减少了 GSC 的形成。

该策略的主要优势在于：

减少应力和缺陷: TFSAP 可以与钙钛矿薄膜的表面发生反应， 减缓晶粒的生长速度， 降低晶界沟槽的形成， 并抑制双轴拉伸应力的产生， 从而有效地消除 GSC 的形成。

提高稳定性和效率: 通过消除 GSC， 可以提升钙钛矿/CTL 界面处的电荷提取效率， 减少界面处的非辐射复合， 提升电池的稳定性和效率。

实验结果证实了该团队提出的 “微表面工程” 策略的有效性。 他们利用 TFSAP 处理后的钙钛矿太阳能电池， 在标准的热循环、 潮湿热、 最大功率点跟踪测试中， 都展现出了更出色的性能， 验证了 “微表面工程” 对于提高钙钛矿太阳能电池的耐久性和性能的重大意义。

周圆圆教授团队的研究揭示了钙钛矿晶粒表面形态对于太阳能电池性能的重要影响， 也为未来的钙钛矿材料和器件设计提供了全新的思路。 这项成果进一步彰显了钙钛矿太阳能电池作为未来能源技术重要组成部分的潜力， 为更清洁、 更高效、 更稳定的太阳能光伏技术的开发提供了重要的参考依据。

该团队的研究揭示了钙钛矿晶粒表面 “微观特征” 对于器件性能的重要性， 并提出一种全新的 “微表面工程” 策略， 通过分子调控手段， 有效地抑制了晶粒表面的凹陷， 最终实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。

参考文献

Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces_Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x

【本研究参数图】

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文献参考自Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x

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