甲脒
-
铯
(FA-Cs)
混合阳离子钙钛矿已成为性能最佳的钙钛矿太阳能电池
(PSC)
的关键贡献者。但在钙钛矿薄膜中实现完全均匀的
FA-Cs
混合物仍然具有挑战性，因为薄膜制造通常在快速、非平衡溶液条件下进行。虽然原则上，结晶钙钛矿晶格中的
FA-Cs
阳离子混合是由熵驱动的并且受热力学青睐，但各种微结构紊乱可能会阻碍纳米、微米和宏观尺度上理想的
FA-Cs
阳离子均匀性。阳离子不均匀性不可避免地会在薄膜中产生一系列
FA-Cs
钙钛矿相，偏离规定的理想组成，导致光电性能不佳和多因素稳定性降低。针对这一问题已报道的研究主要集中在解决
FA-Cs
不均匀性问题，而没有在空间上解决单个晶粒之间的差异。由于单个晶粒是钙钛矿薄膜的基本组成部分，因此消除晶粒间阳离子差异可能是实现整个
PSC
均匀、多尺度
FA-Cs
组成景观的有效途径。在典型的
FA-Cs
钙钛矿薄膜结晶过程中，局部非均质溶液环境不可避免地会导致形成的晶粒之间初始钙钛矿成分发生变化。一旦所有晶粒与薄膜生长后期形成的晶界
(GB)
融合，预计这种晶粒间
FA-Cs
比率的变化将得到部分缓解。
香港科技大学周圆圆教授、田纳西大学
Mahshid Ahmadi等研究人员
表明最终晶粒间
FA-Cs
均匀性的程度与热力学驱动的晶粒形态凹槽密切相关。晶粒三重结处的所得凹槽（三种
GB
轮廓合并）在钙钛矿薄膜表面几何形成纳米级陷阱状形貌，对相邻晶粒之间的固态阳离子交换产生不利影响。为了解决这个问题，利用钙钛矿异质界面化学对这种纳米级凹槽陷阱
(nano-GT)
几何特征的影响。通过在薄膜底部预先加入合理选择的丁基醋酸铵
(BAAc)
添加剂，将纳米
GT
深度减少了三倍，从而实现了前所未有的跨晶粒阳离子均质化。在所得钙钛矿薄膜中观察到最小的晶粒间
FA-Cs
异质性，从而产生有益的表面电子能量，从而改善异质界面载流子动力学。它还有助于提高薄膜稳定性和界面机械可靠性。基于对
FA-Cs
异质性的晶粒解析基本理解，具有浅纳米
GT
的
n-i-p
结构
PSC
可提供高达
25.62%
的
PCE
，以及
在各种标准化国际协议下的高多因素稳定性，证明了纳米
GT
几何相关的跨晶粒阳离子均质化的机械效应。与报道的埋层界面研究不同，这项工作建立了表面纳米形貌与钙钛矿中阳离子分布之间的直接联系。
相关研究成果2025年2月24日以“
Nanoscopic cross-grain cation homogenization in perovskite solar cells
”为题发表在
Nature nanotechnology
上。
揭示了纳米级晶界沟槽对阳离子分布的影响
：研究发现，钙钛矿薄膜中的纳米级晶界沟槽（
nano-GTs
）会导致晶粒间的阳离子分布不均匀，从而影响电池的性能。通过高分辨率原子力显微镜（
AFM
）和透射电子显微镜（
TEM
）观察，发现纳米级晶界沟槽在晶粒三重接头处形成，阻碍了晶粒间
FA-Cs
阳离子的混合，导致阳离子分布不均匀。
通过化学添加剂调控纳米级晶界沟槽的深度
：通过在钙钛矿电子传输层（
ETL
）中引入挥发性化学添加剂（如丁基氨基乙酸酯，
BAAc
），成功地减少了纳米级晶界沟槽的深度。实验结果显示，加入
BAAc
后，纳米级晶界沟槽的平均深度从
15.3 nm
减少到
4.4 nm
，显著改善了阳离子的均匀性。
实现了跨晶粒的阳离子均匀化
：通过减少纳米级晶界沟槽的深度，实现了跨晶粒的
FA-Cs
阳离子均匀化，从而提高了钙钛矿薄膜的均匀性和稳定性。通过阴极发光（
CL
）显微镜和光致发光（
PL
）显微镜观察，发现减少纳米级晶界沟槽深度后，钙钛矿薄膜的
CL
和
PL
光谱更加均匀，表明阳离子分布更加均匀。
提出了纳米级晶界沟槽调控的普适性
：研究结果不仅适用于
FA-Cs
钙钛矿体系，还可能适用于其他混合阳离子和混合卤素钙钛矿，为提高这些材料的性能提供了新的思路。纳米级晶界沟槽的调控方法可以扩展到其他钙钛矿材料，如混合
Pb-Sn
和混合
I-Br
钙钛矿，这些材料在串联太阳能电池中具有重要应用前景。
图
1.
横晶微观结构
图
2.
纳米
GT
深度对纳米级跨晶粒阳离子均匀性的影响
图
3.
横向阳离子均匀性对薄膜性能的影响
图
4.
具有跨晶粒阳离子均质化的
PSC
性能
这项研究揭示了原始
FA-Cs
混合阳离子钙钛矿薄膜中非平凡的晶粒间阳离子不均匀性。然后，在这种晶粒间变化与纳米
GT
几何形状之间建立了一种有趣的关系。尽管纳米
GT
的尺寸相对较小，但它们会影响整个钙钛矿薄膜的
FA-Cs
阳离子分布。纳米
GT
变浅有助于晶粒间阳离子均质化，从而改善界面特性，从而改善太阳能电池。这项工作强调了钙钛矿中纳米级晶粒分辨微结构的重要性，这种微结构可能超越纳米
GT
。沿着这条路线的基础研究为改进
PSC
提供了新的视角，补充了现有的策略。除了
FA-Cs
系统之外，本研究展示的纳米级交叉晶粒成分工程还可以扩展到改善这些混合
Pb-Sn
和混合
I-Br
钙钛矿的金属阳离子和卤化物阴离子均匀性，这对于串联器件的开发至关重要。除了光伏之外，解决钙钛矿中纳米级晶粒间结构和功能不均匀性可以影响高灵敏度光电探测器和高色纯度发光器件的开发。在纳米研究的广泛背景下，这项工作代表了在庞大的多元素纳米材料家族中解决表面纳米形貌以获得均匀特性的原型。
原文链接：
doi.or
g
/
10.1038/s41565-025-01854-y
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