“碳中和”的时代背景对清洁能源提出了更高的要求，太阳能作为一种可免费获取、全球分布广、持续存在且绿色无污染的清洁能源，具有巨大的应用前景和商业价值。相比传统光伏材料，新兴光伏材料钙钛矿具有更多优点；但其能量转换效率目前还低于传统太阳能电池，进一步探索其晶体生长机理并提升器件的效率与稳定性仍是钙钛矿光伏走向商业应用前所要解决的难题。研究表明钙钛矿的光电性能会受到晶面取向影响，一般多晶钙钛矿薄膜具有多个晶面取向，晶面取向单一的纯净的钙钛矿晶体往往具备更好的晶体质量和更优异的器件性能。然而，由于钙钛矿是通过溶液制备的离子型晶体，对其晶体生长和晶面取向进行有利调控颇具挑战。
近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心赵清教授课题组通过设计将预先合成的本征高取向性二维Dion-Jacobson相钙钛矿材料(BDA)PbI4引入到碘化铅薄膜中作为晶种，使其成为后续三维钙钛矿外延生长的核心，从而制备出高（001）晶面取向的低缺陷密度钙钛矿薄膜，实现了对钙钛矿晶体的晶面取向调控。同时，通过对结晶位点进行优化控制，使得晶粒尺寸显著增加。基于同步辐射GIWAXS还证实了（001）晶面以更有利于载流子垂直运输的方式堆叠，有利于太阳能电池器件的填充因子显著提升。
图1 晶面取向调控表征 a 碘化铅溶液，晶种溶液和晶种加入到碘化铅溶液后的动态光散射图谱；b, c 钙钛矿面取向调控的XRD示意图； d—h 钙钛矿（002）取向的极图表征结果； i 钙钛矿（001）取向的摇摆曲线； j—l 基于同步辐射的GIWAXS表征结果和晶面堆垛示意图
在晶种诱导生长的钙钛矿薄膜中，二维晶种完成晶面取向诱导后分布在晶界处，不仅可以钝化晶界缺陷和降低载流子非辐射复合损失，还可以优化表面晶界的电势，更有利于提取载流子；由于晶界是水氧入口，分布在晶界的二维晶种具有本征的高疏水性，因此有利于钙钛矿薄膜稳定性的提升；由于晶界处离子迁移严重，二维晶种可以显著抑制离子迁移的发生，进而提高光电器件的运行稳定性。此设计将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从21% 提升到 23.95%，为混合维度钙钛矿太阳能电池的最高值，填充因子高达84.7%；不仅如此，柔性器件也展示出超过20%的能量转换效率，具有很好的普适性。该工作为从晶体生长的底层设计制备高质量钙钛矿光伏材料提供了重要的研究思路。
图2 二维晶种诱导生长原理示意图，钙钛矿薄膜与光伏器件效率展示以及柔性器件照片
2022年1月6日，相关研究成果以“通过二维晶种诱导生长实现晶面取向调控构筑高效、高稳定性钙钛矿太阳能电池”（Facet orientation tailoring via 2D seed-induced growth enables highly efficient and stable perovskite solar cells）为题，在线发表于能源领域高影响力期刊《焦耳》（Joule）；北京大学物理学院2020级博士研究生骆超为第一作者，赵清为通讯作者。
上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金，及北京大学长三角光电科学研究院、量子物质材料协同创新中心等支持。
论文原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435121005754?dgcid=coauthor
供稿：赵清
编辑：孙嘉琪
审核：全海涛
