 论文概览 锡基钙钛矿太阳能电池（THPs）得益于不含铅重金属元素的特性已成为环保太阳能电池的有力候选者，但由于锡基钙钛矿成膜速度较快并易于氧化，在薄膜制备过程中结晶质量和缺陷态难以控制，导致锡基钙钛矿太阳能电池的能量转换效率和稳定性远远落后于铅基器件，构建二维/三维（2D/3D）异质结构可以有效地调节结晶并抑制缺陷形成，从而开发出高质量的THP薄膜。然而，2D和3D前驱胶粒的成核动力学差异较大，往往导致2D和3D相的不均匀生长。为解决这一问题，昆士兰大学王连洲教授团队在Nature Nanotechnology期刊提出了一种新颖的胶体工程策略构建均质2D/3D钙钛矿异质结结构，显著优化锡基钙钛矿薄膜的质量并制备了高效稳定的锡基钙钛矿太阳能电池器件。 亮点解析  胶体稳定性及结晶动力学研究： 基于DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) 胶体稳定理论，从微观作用力层面阐述了引入小尺寸Cs+离子对于影响胶体稳定性的调控作用。具体而言在前驱体溶液中主要存在FA+胶体和富PEA+胶体，由于PEA+较大的离子尺寸（~552ppm）使PEA+胶体相比FA+胶体具有更大的聚集能垒，因此FA+胶体更容易聚集形成团簇作为初始成核位点，而富PEA+胶体则容易被排出隔开难以聚集，最终导致以PEA+为中心的2D相的延迟成核结晶，导致2D/3D异质结的不均匀性。引入小尺寸的Cs+后同时压缩了FA+胶体和富PEA+胶体双电层的尺寸，尤其是显著降低的富PEA+胶体和FA+胶体的排斥力，有利于FA+胶体和富PEA+胶体的聚集，进而形成均匀的2D/3D异质结。根据DLS结果，加入5% Cs+后显著提升的团簇尺寸（369 nm到934 nm）以及更少的成核位点意味着更受控的钙钛矿均质生长。  改性后更均匀2D/3D钙钛矿异质结： 改变GIWAXS掠入射角度进行不同深度的薄膜相组成分析，发现原本主要集中在薄膜底部的2D相在引入Cs+改性后呈现出贯穿整个薄膜的全面分布，更低的半峰宽说明2D钙钛矿相结晶度显著提升。TOF-SIMS结果也说明原本聚集在底部的PEA+信号在改性后呈现更均匀的深度分布，和GIWAXS结果吻合。  改性后PSCs性能： 引入Cs+优化后的锡基钙钛矿太阳能电池实现17.13%（认证为16.65%）的冠军效率，未封装器件在氮气氛围中连续光照1500小时后后仍保持初始效率的92%。 结论展望 这一研究揭示了对钙钛矿前驱体胶体的有效控制对于结晶动力学的显著影响，尤其凸显无铅锡基钙钛矿太阳能电池在市场化应用方面的巨大潜力。 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41565-025-01905-4 声明：仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。 |
