消除晶粒表面内凹增强钙钛矿薄膜界面 |《自然-能源》论文

钙钛矿太阳能电池光电转换效率认证记录近年来快速攀升，且具有制备工艺简单，材料成本低，生产能耗低，应用场景多样等独特优势，有望成为下一代主流光伏技术。然而，钙钛矿电池在复杂的光、热、湿应力条件下的长期稳定性仍然是一个突出的问题，这限制了其商业化的进程。钙钛矿太阳能电池器件的异质界面可靠性在钙钛矿电池的长期运行中起决定性作用。这是因为异质界面不仅是水氧侵入的主要路径，也是在钙钛矿材料在光热应力下降解的起始点。钙钛矿和传输层不匹配的热膨胀系数也使得异质界面的力学性能在变温工况下加速失效，如户外，太空等环境。因此，构筑坚固的异质界面对提升钙钛矿电池的长期稳定性至关重要。要实现这一目标，需要我们对异质界面的微观结构-微观特性-器件性能关系进行更深入的基础研究，这不仅有助于从微观上理解钙钛矿材料的降解机制，而且对高效稳定器件的设计具有重要的指导意义。

中国香港科技大学周圆圆教授团队近日在 Nature Energy 上面发表标题为“Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces”的论文。在该文里，作者们在钙钛矿电池器件的埋底晶粒-传输层微异质界面处发现一种隐藏的微观结构：晶粒表面内凹（Grain surface concavity）。该微结构的存在使得单个晶粒的底表面呈凹面，从而造成了存在于薄膜晶粒中心与其他器件材料层的界面处的纳米空隙。这不仅破坏了钙钛矿异质界面的结构完整性，进而也影响了电荷传输性能、化学稳定性、传热性能和（光热效应下的）力学可靠性，对器件的光电转换效率和耐久性造成了负面影响。

作者们进一步通过晶粒生长中的微观力学模型研究了晶粒表面内凹的演化机制，发现表面内凹由两个热力学因素共同作用产生：1. 单晶粒在聚结过程中受到来自周边晶粒的平面拉伸应力，进而因泊松效产生纵向形变；2.晶界在热驱动下形成晶界沟槽的过程中，固态离子逐渐从晶界槽底部向两侧迁移到晶粒周边形成“凸脊”结构。基于这个发现，作者们在前驱体溶液添加十三氟己烷-1-磺酸钾盐表面活性剂分子，同时抑制了纵向形变和“凸脊”的产生，定向地大幅消除了晶粒表面的内凹形貌，构筑了微结构坚实的钙钛矿-传输层异质界面。

消除了晶粒表面内凹的钙钛矿薄膜界面展现了良好的结构完整性，形成了近似理想的晶粒-传输层微异质界面“片段”，这些“片段”组合成了全面增强的异质界面。作者们发现，这种异质界面具有显著改善的电荷传输性能、化学稳定性、传热性能和（光热效应下的）力学可靠性，由此制造的器件具有高达25.5%的光电转换效率和在ISOS标准工况测试条件（热循环，湿热，连续光照）下显著提升的器件耐久度。这项研究工作将作为对钙钛矿薄膜微结构-微观性能-器件性能三者关系的科学探索版图的重要补充，将帮助我们更好地理解隐藏在钙钛矿半导体器件现象下的结构本质。