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钙钛矿太阳能电池作为一种新兴清洁能源，为光伏行业高质量发展注入了新动能。近日，北京大学联合国内外多个研究组，提出高密勒指数晶面相干生长提升钙钛矿太阳能电池性能的新策略。相关研究成果发表于《自然》。
“这项研究将为钙钛矿太阳能电池性能优化提供新的增长点，也是钙钛矿光电领域基础研究的守正创新。”中国科学院院士、北京大学校长龚旗煌对《中国科学报》说。
“双路径”提升光电转换效率
光电转换效率是衡量太阳能电池将光能转换为电能的效率指标。钙钛矿太阳能电池主要通过两种途径提升光电转换效率：一是提高光吸收材料对入射光子能量的俘获率，即增大对太阳光能的有效吸收；二是减弱光生载流子的非辐射复合，即减少产生的电能在电池内部的损耗。
10多年来，钙钛矿太阳能电池领域的大量研究工作主要聚焦于减少电能在电池内部的损耗，即通过降低钙钛矿吸光层以及电池各功能层界面处的缺陷，减少光生载流子在电池内部的非辐射复合能量损失。这种“降缺陷、提效率”的方式取得了不错的效果，相关认知也越发完善。
北京大学团队长期开展钙钛矿太阳能电池缺陷调控和性能提升的研究。近年来，该团队对钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层的上界面、埋底界面及电极缓冲层界面等展开深入研究，有针对性地提出了一些缺陷调控和性能提升策略，并于2023年将钙钛矿太阳能电池光电转换效率提升至25%以上。
“要进一步提升光电转换效率，还需要在现有基础上继续提高光吸收材料对入射光子能量的俘获率。”北京大学教授朱瑞对《中国科学报》说。
通常来讲，增加钙钛矿吸光层厚度可以增强对入射光的吸收，从而提高入射光子的俘获能力，获得更多光学增益，最终提升光电转换效率。然而，吸光层薄膜增厚往往伴随着缺陷的增加，导致薄膜中非辐射复合变得更加严重，从而降低电池光电转换效率，抵消入射光吸收增强带来的光学增益。因此，朱瑞表示，目前亟须开发新的工艺攻克这一难题。
从温度入手解决性能波动问题
面对挑战，北京大学与国内外多个研究组展开联合攻关。他们最先遇到的难点就是电池性能季节性波动问题，即高性能电池通常存在明显的季节依赖性。
“这是困扰我们十几年的问题。”朱瑞对《中国科学报》说，“起初，大家发现湿度波动影响电池功能层制备，于是将全部制程转移到湿度可控的惰性气氛中，但电池性能季节依赖性依然存在。”
“除湿度外，随季节更替出现明显变化的另一个因素是温度。”北京航空航天大学教授罗德映建议从温度入手解决性能波动问题。
于是，联合团队通过精准控制钙钛矿薄膜涂布阶段的环境温度，优化钙钛矿薄膜的成核和晶粒生长过程，显著改善了电池性能的季节依赖性，使得一年四季制备的电池都有一致的光电转换性能。
在寻找其中机理的过程中，联合团队发现，钙钛矿薄膜的高密勒指数晶面对环境温度存在依赖关系。
密勒指数是材料晶体学中的一个概念，用于描述晶面方向的符号系统，通过3个整数表示晶面与晶轴的相对关系。高密勒指数是指数值较大的晶面，（100）、（110）、（111）通常被认为是低密勒指数晶面，其他晶面则为高密勒指数晶面。
联合团队发现，当钙钛矿薄膜涂布阶段的环境温度处于特定条件时，钙钛矿薄膜中高密勒指数（211）晶面的占比会增加。经验证，（211）晶面具有“自钝化”及形成“相干晶界”的特性，这使得薄膜内部及表面缺陷浓度大幅度降低。
“当发现（211）晶面具有如此特殊的性质后，整个团队都很激动。于是，我们借助这些特性改善晶体内部和表面缺陷，并进一步在钙钛矿微米级厚膜中进行验证，实现了‘光子利用与电学损失’的协同优化。”罗德映说。
联合团队充分利用上述发现，研制出高质量微米级钙钛矿厚膜，在提高俘获入射光子能力的同时，显著减少了电能在电池内部的损耗，成功将光电转换效率提高至26.1%，并提升了电池在光、热等外界条件下的工作稳定性。
“该研究展示了一种能够制备厚度较大但仍保持高质量的钙钛矿薄膜的方法，不仅显著提升了太阳能电池性能，还深化了我们对这种‘迷人材料’的工作机制的认识，并为如何优化其性能提供了新思路。”英国剑桥大学教授Samuel D. Stranks表示。
高密勒指数晶面值得深入挖掘
“基础研究对关键核心技术具有先导、引领作用，加强基础研究是突破关键核心技术的‘先手棋’。”龚旗煌认为，从高密勒指数晶面角度切入开展钙钛矿材料性能研究，是钙钛矿光电领域的基础探索，对相关技术发展有重要指导意义。钙钛矿材料中其他高密勒指数晶面也同样值得深入挖掘。
“早在上世纪的半导体材料晶体学研究中，高密勒指数晶面就已经引起业内关注，比如硅、砷化镓等晶面。”罗德映说，“高密勒指数晶面相较于常见的低密勒指数晶面具有更复杂的原子排列，可能导致独特的表面重构和特有的电子状态。”
北京大学博士研究生黎顺德补充说：“半导体材料中有些高密勒指数晶面几乎不存在任何空位和缺陷。与硅、砷化镓等材料相比，钙钛矿材料的元素组成和晶体结构更为复杂多样，其高密勒指数晶面可能会呈现更加‘缤纷多彩’的特性，值得深入挖掘。”
“这项工作仅是钙钛矿材料中高密勒指数晶面研究的开端。我们相信，对钙钛矿材料中其他高密勒指数晶面的研究可以挖掘出更多新方法、新思路，帮助加深对钙钛矿材料中‘高密勒指数晶面家族’的理解。”朱瑞表示。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08159-5
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