第一作者：鄭官豪杰、朱城
通訊作者：周歡萍、高興宇、陳棋
通訊單位：北京大學、中科院上海應物所、北京理工大學
研究亮點：
研究了混合陽離子體系鈣鈦礦多晶薄膜的晶面擇優取向規律。
近年來，有機無機雜化鈣鈦礦材料因其可調的帶隙，高吸收系數，雙極載流子傳輸性質，長載流子擴散長度和低缺陷態密度等卓越的光電特性掀起了光伏能源領域的研究浪潮。經歷僅僅九年的技術發展，多晶鈣鈦礦薄膜太陽能電池的器件性能已經可以和有著六十年研究歷史的晶硅電池相媲美，其發展速度遠遠超過歷史上任何一種太陽能電池技術。
從2009年至今，世界范圍內的研究人員開發了一步旋涂法，兩步旋涂法，蒸汽輔助法，刮涂法等多種薄膜制備工藝和溶劑工程，成分工程，界面工程等多項器件優化準則，在提高鈣鈦礦多晶薄膜質量和器件結構優化設計等宏觀尺度上持續推動著太陽能電池向高轉化效率邁進。
然而目前，對于鈣鈦礦材料和器件在微觀和介觀尺度的深度研究仍然較少，材料微結構、載流子輸運特性與器件性能間構效關系的機理性認識的缺失直接阻礙器件效率的進一步提升，基于此，探究材料微結構與光伏性能之間的潛在規律將是提高鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵一步。
有鑒于此，北京大學周歡萍研究員，北京理工大學陳棋教授與上海應物所高興宇研究員通過團隊合作，研究了當前最高效率的混合陽離子體系鈣鈦礦多晶薄膜的晶面擇優取向規律。
圖1 堿金屬陽離子多元級聯摻雜的取向演變分析
該研究利用了國家大科學裝置中心上海光源的同步輻射X射線掠入射廣角散射技術(GIWAXS)。以此為基礎，通過多元陽離子級聯的精細摻雜可控地調節了特定晶面相對于基底堆疊排列的方向，得到了更加優異的器件性能。
作者調研了堿金屬陽離子Cs+，Rb+，K+的多元級聯摻雜對于晶體堆疊取向的影響，通過精細的摻雜實現可控的取向調控，揭示了微結構層次的擇優取向極大地影響鈣鈦礦材料的光電特性，證實了平行于基底的(001)晶面族的強擇優取向將會促進載流子在薄膜內的高速遷移，提高載流子在鈣鈦礦與傳輸層界面處的傳輸速率和收集效率，建立了清晰明確的鈣鈦礦多晶微結構，器件性能與載流子輸運特性三者之間潛在的構效關系，為當前電池突破效率瓶頸提供了新的設計思路。
圖2 Cs+梯度摻雜的取向演變分析
圖3 Cs+梯度摻雜多晶薄膜載流子輸運分析
圖4 Cs+梯度摻雜器件界面載流子輸運分析
總之，該研究結果證實了多元陽離子的級聯摻雜對多晶薄膜晶面擇優取向可控的有效調控，為材料微結構與光伏性能構效關系帶來機理性的理解并為當前電池突破效率瓶頸提供了新的設計思路。
參考文獻：
Zheng G, Zhu C, Ma J, et al. Manipulation of facet orientation in hybrid perovskite polycrystalline films by cation cascade[J]. Nature Communications, 2018.
DOI: 10.1038/s41467-018-05076-w
