大連化物所劉生忠small：用Nipecotic Acid調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶，鑄就高性能PSCs

發(fā)表時(shí)間：2025-10-28 09:36

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主要內(nèi)容

高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備的重要性

高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的制備對(duì)提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）起著至關(guān)重要的作用，而通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，可有效達(dá)成這一效率提升目標(biāo)。由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠研究員，陜西師范大學(xué)蔡雪刁副教授和馮江山副研究員等人，在本研究中創(chuàng)新性地采用煙酰胺（Nipecotic Acid，NA）作為添加劑，通過(guò)調(diào)控結(jié)晶過(guò)程來(lái)抑制鈣鈦礦薄膜內(nèi)部的缺陷形成。

作用機(jī)制驗(yàn)證

其作用機(jī)制通過(guò)原位紫外 - 可見(jiàn)（UV/Vis）吸收光譜與光致發(fā)光（PL）測(cè)量得到了充分驗(yàn)證。此外，掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）和X射線衍射（XRD）分析進(jìn)一步確證，NA能夠有效調(diào)控鈣鈦礦晶體的取向。具體而言，當(dāng)將煙酰胺（NA）作為添加劑引入鈣鈦礦前驅(qū)體溶液后，其─NH和─COOH功能基團(tuán)可與PbI?發(fā)生配位作用，形成穩(wěn)定配合物。這種穩(wěn)定配合物通過(guò)改變成核和生長(zhǎng)速率，有效調(diào)控薄膜形成過(guò)程中的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。這種雙功能相互作用能夠同時(shí)延緩結(jié)晶速率，并促進(jìn)（100）晶面的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，最終獲得缺陷密度降低、非輻射復(fù)合被抑制且晶粒尺寸增大的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。

器件性能提升

借助NA添加劑的獨(dú)特作用，該研究團(tuán)隊(duì)成功制備出具有優(yōu)異質(zhì)量與低缺陷密度的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。其中，**器件實(shí)現(xiàn)了24.76%的光電轉(zhuǎn)換效率，這一成果十分亮眼。開(kāi)路電壓（Voc）的提升主要得益于薄膜缺陷的減少，降低了電荷復(fù)合損失；填充因子（FF）的提高則歸因于晶粒尺寸的增大，改善了電荷傳輸性能，進(jìn)而顯著提升了光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。此外，研究團(tuán)隊(duì)還成功制備出大面積（1 cm2）器件，其PCE達(dá)到22.55%。大面積（1 cm2）器件的成功制備，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步，因?yàn)榇竺娣e制備過(guò)程中往往面臨著均勻性、缺陷控制等難題。

穩(wěn)定性測(cè)試

值得注意的是，該器件在環(huán)境條件（25 °C，相對(duì)濕度25% RH）下儲(chǔ)存960小時(shí)后，仍能保持初始PCE的94.04%，充分展現(xiàn)出**的環(huán)境穩(wěn)定性。在穩(wěn)定性測(cè)試中，采用NA添加劑制備的PSCs表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性：經(jīng)960小時(shí)老化后，其PCE僅下降5.96%，而對(duì)照樣品的PCE降幅高達(dá)29.60%。這一鮮明對(duì)比凸顯了NA添加劑在提升器件穩(wěn)定性方面的顯著效果。

研究意義與展望

本研究由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠研究員，陜西師范大學(xué)蔡雪刁副教授和馮江山副研究員等人主導(dǎo)完成，不僅深入揭示了鈣鈦礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)機(jī)制，還為開(kāi)發(fā)高性能、運(yùn)行穩(wěn)定的鈣鈦礦光伏器件提供了可靠的材料策略。NA添加劑方案同時(shí)解決了晶體質(zhì)量控制與器件工程的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用開(kāi)辟了一條可行路徑。