北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”朱瑞教授和龚旗煌院士团队与合作者展开研究，发现了高密勒指数晶面在调控微米级钙钛矿厚膜晶粒质量方面的重要指导作用，并发展了精细温度调控方法，实现了高质量微米级钙钛矿厚膜的可控制备。以此为基础，团队研制出光电转换效率超过26%的高性能反式钙钛矿太阳能电池。2024年10月14日，相关研究成果以《高密勒指数晶面的相干生长提升钙钛矿太阳能电池性能》（“Coherent growth of high-Miller-index facets enhances perovskite solar cells”）为题，发表在《自然》（Nature）杂志上。
近年来，我国大力推进清洁能源科学与技术的发展。钙钛矿太阳能电池作为一种新型的清洁能源技术，也在为推动我国光伏产业高质量发展注入新的动能。目前，反式结构钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍低于其理论极限，主要原因之一在于钙钛矿吸光层的厚度不足，导致对入射光子能量的俘获不够充分。通常来说，增加钙钛矿吸光层的厚度可以增强对入射光的吸收，从而提高对入射光子的俘获能力，获得更多的光学增益，进而提升光电转换效率。然而，钙钛矿吸光层中存在缺陷，吸光层薄膜增厚往往伴随着薄膜中缺陷的增加，导致薄膜中非辐射复合变得更加严重、电池光电转换效率降低，入射光吸收增强带来的光学增益会被抵消。因此，亟须开发新的方法来克服这项挑战。
图1. 调控高密勒指数晶面及相关机制。（a）短路电流密度随钙钛矿薄膜厚度变化的理论与实验值；（b）微米厚钙钛矿薄膜的X射线衍射图谱；（c）时间分辨光致发光谱；（d）DFT计算得到不同晶面取向钙钛矿的表面能；（e）不同化学势条件下的表面能
基于此，研究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，成功制备出具有高密勒指数（211）晶面择优取向的高质量钙钛矿厚膜，并揭示其在减少薄膜电学损失方面的机理。通过密度泛函理论（DFT）计算发现，高密勒指数的（211）晶面在生长延伸至薄膜表面时，具备自发调节碘原子数量至化学计量比状态的“自钝化”能力。在“自钝化”后，（211）晶面的表面能进一步降低，且对化学势的依赖性较小，能够在复杂环境下保持稳定，从而提升薄膜的光电特性（图1）。此外，通过冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）对钙钛矿薄膜进行原子级观测，研究团队发现在（211）取向晶粒与（001）取向晶粒之间形成了“相干晶界”，抑制了晶界位置的悬挂键、点缺陷、线位错等，提升了电池的光电性能（图2）。
图2. 原子尺度高分辨率冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）图像及相干晶界。（a）钙钛矿[211]晶带轴与[001]晶带轴轴之间相干晶界的高分辨冷冻电镜图像；(b)相干晶界的放大图；（c）对应的快速傅里叶变换（FFT）图案；（d）相干晶界的理论原子模型
基于这一机制，研究团队通过调控钙钛矿薄膜中的高密勒指数晶面，制备出微米级厚度的高质量钙钛矿光吸收层，并进一步制备出高性能反式钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率最高达26.1%（第三方认证值为25.85%），同时，电池在光、热等外界条件下的稳定性也有显著改善（图3）。以上理论与实验结果表明，调控钙钛矿薄膜中的高密勒指数晶面及其相干晶界，将有助于获得高质量的、微米级厚度的钙钛矿光吸收层，这为实现高性能钙钛矿太阳能电池提供了重要的方法指导。
图3. 电池光电转换效率及稳定性。（a—c）0.07cm2电池、1cm2电池以及迷你模组的最高光电转换效率；（d）电池稳定性
北京大学物理学院现代光学研究所2021级博士研究生黎顺德、2021届毕业生苏睿博士、牛津大学肖云博士、剑桥大学许卫东博士为该论文的共同第一作者，朱瑞、龚旗煌、北京航空航天大学罗德映教授、牛津大学Henry J. Snaith教授、剑桥大学Samuel D. Stranks教授和宁波东方理工大学（暂名）韩兵助理教授为论文的共同通讯作者。工作得到新加坡国立大学智能功能材料研究院黄鹏儒博士和Kostya S. Novesolov教授在理论计算方面的支持。主要合作者还包括牛津大学Laura M. Herz教授、伦敦帝国理工学院James R. Durrant教授、多伦多大学吕正红教授、常州大学/南京工业大学王建浦教授等。
该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、松山湖材料实验室开放课题、云南省西南联合研究生院科技项目、北京市科技新星计划、江苏省自然科学基金、南通市基础科学研究计划、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、山西大学极端光学协同创新中心、量子物质科学协同创新中心、英国皇家学会、英国工程和自然科学研究委员会、新加坡教育部、新加坡国家超级计算中心等的大力支持。
