钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转换效率和低成本制备，在过去十年间引发了广泛的研究热潮，并被认为是最有潜力替代传统硅太阳能电池的下一代光伏技术之一。近年来，PSCs 的效率不断提升，并不断刷新着世界纪录。
陕西师范大学刘生忠教授团队近期取得重大突破，他们通过一种新颖的异质种子辅助策略，成功地控制了 FAPbI3 的结晶过程，并制备出高质量的钙钛矿薄膜，最终实现了 25.29% 的能量转换效率 (PCE)，为该领域的发展注入了新的活力。该研究成果发表在国际期刊《Energy & Environmental Science》上。
异质种子辅助策略：控制结晶的关键
钙钛矿材料的结晶过程对器件的性能至关重要。传统的钙钛矿薄膜制备方法，通常采用溶液法，但这种方法容易导致薄膜质量不均匀，存在大量缺陷，影响器件的效率和稳定性。
刘生忠教授团队创新性地提出了异质种子辅助策略，利用 2,4-二氨基嘧啶 (DAP) 与钙钛矿前驱体之间的强相互作用，抑制溶剂主导的中间相形成，并促进 DAP-FA+[PbI3]- (δ) 异质种子的生成。这些异质种子在薄膜的初始形成阶段快速转变为所需的 α 相，引导后续的结晶过程，最终获得高结晶性的 α-FAPbI3 薄膜。
该团队首先使用化学气相沉积 (CVD) 方法在铜箔上生长出单层石墨烯 (SLG)，并将其转移到光纤上，然后将光纤绕转石墨烯层，形成导电的光纤。再通过原子层沉积 (ALD) 技术沉积一层 Al2O3 薄膜作为介电层，并通过相同方法将另一层石墨烯卷绕在上面，形成器件的通道。最后，在通道层上沉积一层钙钛矿，作为器件的光敏元件。
异质种子辅助策略优势
l 控制结晶过程： 异质种子辅助策略可以有效控制钙钛矿的结晶过程，抑制不必要的中间相的形成，从而提高钙钛矿薄膜的质量。
l 促进 α 相形成： 异质种子可以引导钙钛矿薄膜向所需的 α 相转变，减少其他相的出现，从而提高器件的稳定性。
l 降低陷阱密度： 高结晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度，有利于电荷传输，减少电荷重组，提高器件的效率。
l 提高载流子寿命： 高结晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更长的载流子寿命，进一步提高了器件的效率和稳定性。
FAPbI3甲脒碘化铅有机无机混合钙钛矿材料
特性
1. 高光吸收係数光电特性，直接能隙约为1.48电子伏特（eV），在可见光范围内有良好的吸收性能，适合用于光伏应用。
2. 具有钙钛矿结构结晶特性，高品质的FAPbI3薄膜可以提供平滑的表面和较少的缺陷，于提高光电转换效率非常重要。
3. 环境稳定性上，对湿度和温度较为敏感，高湿度环境下易分解。通常需要添加稳定剂或者进行封装来保护材料。
4. 製备方法上可以通过溶液製程（如旋转涂佈法）来製备，简便且成本低，有利于大规模生产。过程中通常需要进行退火处理，以促进晶体生长并提高薄膜的结晶品质。
5. 光伏应用前景，其优异的光电特性和潜在的高效率，被认为是下一代高效太阳能电池的潜力材料。还具有应用于LED和光检测器等光电子器件的潜力。
突破性的成果
使用异质种子辅助策略制备的倒置钙钛矿太阳能电池，能量转换效率 (PCE) 达到 25.29%。
器件表现出非凡的长期稳定性，表明该策略可以有效提高器件的稳定性，为钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了新的可能性。
未来展望
刘生忠教授团队的突破性研究成果，为钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的思路。未来，研究人员将继续探索更有效的结晶控制方法，并结合先进的表征手段和模拟计算，进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，推动该技术走向商业化应用。
原文出处: Energy & Environmental Science
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