甲脒基光伏钙钛矿电池结晶新策略

如果说能源利用问题是一场赛跑，那么太阳能电池效率就像是百米飞人大战，小数点后的每一个数字，都是科学家争夺的焦点。一直致力于新型钙钛矿太阳能电池研究的西湖大学团队，又一次在小数点后实现了突破。他们找到一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法——加入一种叫“戊脒”的添加剂，可以带来更好的结晶度、更低的缺陷，也意味着更高的光电效率和更强的稳定性。该成果刊登在Nature杂志[1]。

关于太阳能电池，我们的第一印象是在中国很多城市和村落随处可见的“蓝色屋顶”，即硅太阳能电池，已出现很多年，并且已经在全世界范围内取得了广泛应用。为什么科学家们还要努力研究钙钛矿太阳能电池？这要从钙钛矿独特的结构说起。1839年，德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山发现了天然钛酸钙(CaTiO3)，这是一种ABX3结构，元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿中的A或B离子，然后组合成一个八面体，有点像搭积木，不同的“部件组合”会产生不同的效果。

2009年，科学家研制出了用有机阳离子甲基胺(MA)作钙钛矿结构中的A阳离子[2]，用铅作B阳离子，用氯、溴或碘阴离子作X阴离子的新型钙钛矿材料，称为有机无机杂化钙钛矿，并将其应用在染料敏化结构中。这种材料可以将光能转化为电能，刚一出现马上引起了科学家们的强烈关注。而后十年间，在实验室中用甲脒(FA)铅碘钙钛矿制作的单片小面积太阳能电池的光电转化率提高到了25%甚至更高，堪比硅太阳能电池四十年的发展速度。理论上，钙钛矿太阳能电池通过叠层方法，光电转化率可以超过40%。与硅太阳能电池材料生产过程中的高能耗、高污染相比，钙钛矿太阳能电池材料能耗低，制备简单，并且更轻薄、高效、低成本，甚至可以是柔性的。人们设想未来可以像刷墙漆一样，将钙钛矿太阳能电池应用在建筑物外墙面，实现供人们使用的绿色电力。

甲脒铅碘基钙钛矿(FAPbI3)因其理想的光学带隙和热稳定性，被认为是钙钛矿家族中实现高光电转换效率的最具前景的材料[3—5]。然而，具有光活性的黑相FAPbI3因其晶相的热力学不利地位，其在结晶的过程中往往会伴随着非光学活性的其他晶相的存在[6]。钙钛矿的快速结晶动力学导致其相转变过程的关键微观机制依旧不明，这妨碍了针对性的晶相调控策略的设计与开发[7]。特别是在不同的钙钛矿沉积场景下，如一步法和两步法沉积方案、小面积和大面积器件等，由于对其共性关键机制理解的缺乏，在某一场景下适用的相调控策略通常不能适用于其他场景[8，9]。

为了理清钙钛矿快速相转变过程中的关键微观机制，我们通过一种原位多通道实时监测手段，发现了黑相FAPbI3形成过程中的一种普适性的取向成核机制，该策略抑制了非光学活性的晶相形成，使得在室温下就能形成纯净的黑相FAPbI3，这种取向成核机制在多种场景下的钙钛矿沉积中均适用。