華電李美成Small Methods：脈沖橫向電場無添加劑調(diào)控結(jié)晶，實現(xiàn)高效PSCs！

發(fā)表時間：2025-09-15 10:39

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主要內(nèi)容

在鈣鈦礦生長過程中，華北電力大學李美成教授帶領(lǐng)其團隊深入探究了離子成分遷移及空間分布的調(diào)控策略，發(fā)現(xiàn)此為調(diào)控結(jié)晶過程、實現(xiàn)**薄膜形貌的有效途徑。然而，針對特定離子種類的精準調(diào)控及其對定向生長和缺陷抑制的影響，此前尚未受到充分關(guān)注。為此，李美成教授團隊創(chuàng)新性地引入橫向脈沖電場（e - field），以引導鈣鈦礦成分的定向遷移，為傳統(tǒng)依賴化學添加劑調(diào)控結(jié)晶的方式提供了一種新穎的替代策略。

在實驗中，團隊發(fā)現(xiàn)MAPbI?（其中MA?為CH?NH??）薄膜在脈沖電場作用下呈現(xiàn)出碘種類分布的橫向梯度，這一獨特現(xiàn)象通過X射線光電子能譜（XPS）和二次離子質(zhì)譜（SIMS）等**表征技術(shù)得以確證。該橫向梯度與晶體取向的顯著改善、碘離子損失的減少以及碘空位形成量的降低密切相關(guān)。借助電場輔助熱退火處理（電場強度為[X]V/cm、退火溫度為[X]℃、處理時間為[X]min），團隊成功促進了鈣鈦礦薄膜中未錨定碘離子的遷移，使可移動的I?離子能夠填充空位并鈍化配位不足的Pb2?位點。這種由電場驅(qū)動的MAPbI?離子遷移與碘空位自填充機制，有效緩解了因碘損失引起的碘相關(guān)缺陷，進而降低了非輻射復合，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。

此外，李美成教授團隊還進一步驗證了該策略的普適性，將其推廣至混合A位陽離子和鹵化物的鈣鈦礦體系，并成功實現(xiàn)了超過24%的光電轉(zhuǎn)換效率。這一成果不僅展示了無添加劑方法在調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶動力學方面的巨大潛力，相較于傳統(tǒng)化學添加劑方法，無添加劑方法在成本、環(huán)境友好性等方面具有明顯優(yōu)勢，還為通過可控電場調(diào)控實現(xiàn)缺陷自鈍化、開發(fā)高性能器件提供了新見解。

在研究過程中，團隊還探索了一種無添加劑方法，通過施加與鈣鈦礦表面垂直的橫向脈沖電場，在薄膜形成過程中**控制離子物種的遷移與分布。研究發(fā)現(xiàn)，脈沖電場的引入顯著減少了熱退火過程中碘離子的損失，并有效抑制了碘空位的形成。同時，鈣鈦礦薄膜中碘相關(guān)物種的橫向梯度分布還伴隨著結(jié)晶度的提升、載流子傳輸?shù)脑鰪?、載流子壽命的延長以及由陷阱態(tài)引起的復合顯著減少等特性。在脈沖電場的精細調(diào)控下，碘離子遷移并自發(fā)鈍化碘空位及間隙位點，有效消除了與碘相關(guān)淺能級缺陷誘導的電荷陷阱，從而大幅降低了能量與電荷損失。最終，基于無添加劑殘留鈣鈦礦薄膜的太陽能電池（PSCs）實現(xiàn)了效率的顯著提升，并顯著延長了穩(wěn)定性。

李美成教授團隊的這一系列研究成果，為調(diào)控鈣鈦礦薄膜形成過程中鹵化物相關(guān)物種的遷移與分布提供了重要見解，有望推動鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性的進一步提升。