研究背景
隨著鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）技術的快速發展，其在低成本、高轉換效率等方面的潛力引起了廣泛關注。近年來，PSCs的認證轉換效率不斷攀升，推動了光伏產業的興奮。然而，盡管PSCs在性能上取得了顯著進展，其長期耐久性仍面臨諸多挑戰，尤其是在實際操作環境中，諸如光照、熱量和濕度等復雜應力對器件的影響顯著。因此，對PSCs的微觀結構與性能之間的關系進行深入研究顯得尤為重要。其中，鈣鈦礦異質界面被認為是影響PSCs長期耐久性的關鍵因素。盡管已有大量研究集中在通過化學鈍化和界面工程來提升PSCs的化學穩定性和熱機械可靠性，但關于異質界面微觀結構的具體細節仍然相對缺乏。傳統上，鈣鈦礦薄膜被視為理想的、連續的微觀結構，而實際上，它們往往是由眾多晶粒組成的多晶材料。這一結構特征導致鈣鈦礦與電荷傳輸層（CTL）之間的異質界面實際上是由多個晶粒-CTL微異質界面組成的，因此，確保每個晶粒-CTL微異質界面的高微觀結構完整性至關重要。為了解決這一問題，研究者們開始關注晶粒表面的幾何特征，特別是晶粒表面凹陷（GSCs）這一缺陷特征。GSCs的形成與晶粒聚并引發的雙軸拉伸應變以及熱老化引起的晶界刻槽有關，這些因素導致了埋藏異質界面處的納米級間隙，進而對載流子的提取、化學穩定性和熱機械性能產生負面影響。因此，優化GSCs的特性成為提升PSCs性能和耐久性的關鍵。 有鑒于此，香港科技大學化學與生物工程系周圓圓團隊在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces”的最新文章。作者通過精密的原子力顯微鏡（AFM）和深度剖面分析，首次系統地揭示了GSCs的普遍存在及其對埋藏異質界面的不利影響。為了解決這一問題，作者采用了一種陰離子表面活性劑——十三氟己基-1-磺酸鉀（TFSAP），對晶粒表面及晶界進行功能化，以抑制GSCs的形成。通過調節晶粒生長動力學，作者成功減小了GSCs的數量，從而提升了晶粒-CTL微異質界面的穩定性和性能。
科學亮點
（1）本文首次揭示了晶粒表面凹陷（GSCs）在金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜中的普遍存在，采用原子力顯微鏡（AFM）和深度剖面分析，系統探討了GSCs的形成機制及其對鈣鈦礦異質界面的影響。研究表明，GSCs的形成與晶粒聚并誘導的雙軸拉伸應變以及熱老化引起的晶界刻槽密切相關。（2）為改善GSCs對異質界面性能的負面影響，本文采用了分子功能化策略，通過使用十三氟己基-1-磺酸鉀（TFSAP）分子，成功抑制了晶界刻槽和雙軸拉伸應變，減少了GSCs的形成。經過GSC工程處理的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）顯示出顯著提升的功率轉換效率（PCE），達到了25.5%。（3）此外，在遵循國際有機光伏穩定性峰會（ISOS）標準的多項耐久性測試中，處理后的PSCs在300周期、660小時和1,290小時的穩定性測試中分別保持了83%、90%和90%的效率，顯著優于未處理樣品。
圖文解讀
圖1：鈣鈦礦晶粒-CTL微異質界面中GSC微結構的幾何特征和定向消除。 圖2：鈣鈦礦晶粒-CTL微異質界面中GSCs的微結構演化機制。圖3：鈣鈦礦晶粒-CTL微異質界面的光電、化學、傳熱和熱力學性能。圖4：鈣鈦礦晶粒-CTL微異質界面中有和無GSCs的PSC器件的PCE和耐久性。
總結展望
本研究強調了微觀結構在材料性能中的關鍵作用，特別是在復雜的異質界面中。以往對鈣鈦礦材料的研究多集中于化學穩定性和電荷傳輸，而對晶粒表面微觀特征的忽視可能導致對材料性能理解的片面性。因此，深入探討晶粒表面的幾何特征為材料科學研究提供了新的視角，有助于優化材料設計和器件構造。本研究提出通過分子功能化手段調節微觀結構，以改善鈣鈦礦異質界面性能。這一策略不僅提高了轉換效率（PCE）至25.5%，而且在ISOS標準化的多項耐久性測試中表現出卓越的穩定性。研究表明，合理的微觀結構工程可以有效減少潛在的負面影響，為提升光電器件的長期性能提供了可靠的方法。Xiao, T., Hao, M., Duan, T. et al. Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01567-x
