武汉纺织大学王海兵、方国家《‌‌AM》|干涉结晶效应重新平衡了晶面竞争关系,从而实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

晶体学取向决定了钙钛矿太阳能电池中的晶格应变、缺陷形成及稳定性，但由于低表面能（100）晶面的内在生长优势，在顺序沉积过程中实现精确控制仍具挑战性。本文报道了一种通过调控A位嵌入动力学来重塑晶面竞争的干涉结晶策略：在碘化铅前驱体中引入磺酸盐基添加剂可在FA+插入过程中产生依赖于晶面的动力学扰动。该添加剂在（100）表面的优先吸附会限制A位可及性并选择性抑制其生长，而与（111）表面的弱相互作用则保持嵌入动力学特性并促进其竞争性发展。这种不对称干扰效应建立了（100）/（111）取向分布的平衡状态，缓解了单一晶面主导所导致的残余晶格应变。两种晶面的共存整合了其互补优势——既保留了（100）晶面优异的光电子性能，又增强了（111）晶面的耐湿性；同时该添加剂在两种晶面上均具有强表面吸附作用，可进一步钝化缺陷并抑制非辐射复合。采用该策略制备的器件实现了26.41%的功率转换效率，并在最大功率点跟踪运行1300小时后仍表现出可忽略的性能衰减，这表明干扰介导结晶是实现顺序沉积钙钛矿材料取向调控的一种可行途径。

图1 结晶学调控实现(100)/(111)取向平衡。(a)对照组与(b)干涉处理钙钛矿薄膜的 GIWAXS 衍射图谱；(c)I(111)/I(100)的相对衍射强度比；(d)取向演变示意图，展示沿(100)环的衍射分布及(111)晶面的形成；(e)(f)对照组与干涉处理薄膜的原子力显微镜图像（比例尺：1 µm）；(g)(h)对照组与干涉处理薄膜的俯视扫描电镜图像（比例尺：800nm）。

图2 TCBSK 与碘化铅之间的表面热力学及化学相互作用。(a)对照组和(b)干扰处理后的碘化铅薄膜的俯视SEM图像；(c)对照组和(d)干扰处理后的碘化铅薄膜的截面SEM图像；(e)通过 OWRK 模型确定的碘化铅薄膜表面自由能；(f)对照组与干扰处理后碘化铅薄膜中 ΔG *随核尺寸变化的计算结果；(g)未掺杂与掺杂 TCBSK 的钙钛矿薄膜的I 3d XPS 谱；(h)未掺杂与掺杂 TCBSK 的钙钛矿薄膜的Pb 4f及S 2p XPS 谱；(i)对照组与干扰处理后碘化铅薄膜的透射 FTIR 谱。

图3 界面转化动力学与晶面干涉机制。(a)自旋涂布过程中对照组与(b)干涉处理薄膜的原位光致发光(PL)谱；(c)从原位测量数据中提取的时间依赖性积分PL强度；(d)基于DFT计算得出的 TCBSK 分子静电势分布；(e)(100)和(f)(111)晶面上 TCBSK 吸附的DFT计算模型；(g)干涉机制示意图，重点展示成核加速效应及晶面依赖性生长调控。

图4 钙钛矿薄膜的光电子特性。(a)对照组与(b)目标组钙钛矿薄膜的深度依赖性 GIXRD 分布图；(c) 2θ 值随入射角变化关系图；(d)对照组、(e)目标组钙钛矿薄膜瞬态吸收光谱的二维伪彩色图；(f)不同钙钛矿薄膜能级示意图；(g)对照组与目标组钙钛矿薄膜的稳态光致发光（PL）分析结果；(h)(i)对照组与目标组钙钛矿薄膜的PL分布图像。比例尺代表1 µm 。

图5 钙钛矿太阳能电池的光伏性能与稳定性。(a) 控制器件与目标器件在不同扫描方向下的电流密度-电压（J–V）曲线。(b) 控制器件与目标器件的 EQE 光谱及积分JSC值。(c) 经稳定化的冠军控制器件与目标器件的功率输出。(d) TPC衰减曲线。(e) TPV 衰减曲线。(f) 在环境温度35°C条件下进行最大功率点（MPP）跟踪时，器件光电转换效率（PCE）随时间变化趋势。