研究背景
錫鹵化物鈣鈦礦（THPs）作為無鉛環保的鈣鈦礦太陽能電池候選材料，已成為研究的熱點，但其光伏性能仍然落后于基于鉛的鈣鈦礦材料，主要由于薄膜質量較差。構建二維/三維（2D/3D）異質結構可以有效調控晶化過程并抑制缺陷的形成，從而開發高質量的THP薄膜。
然而，高聚集能壘使得大型二維鈣鈦礦膠體難以形成穩定的聚集體，導致二維THP的成核速度遠低于其三維同類材料。這種不同的成核動力學造成了不希望出現的二維/三維相分離，從而影響了光伏性能和器件的穩定性。
在此，澳大利亞昆士蘭大學陳鵬和王連洲院士團隊合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Homogeneous 2D/3D heterostructured tin halide perovskite photovoltaics”的最新論文。他們引入了小型無機銫離子，通過部分替代二維THP膠體中的龐大有機陽離子，減小膠體的尺寸，從而降低聚集能壘。減少的靜電排斥力促進了二維和三維THP膠體在前驅體溶液中的凝聚，使其成核動力學得以同步，進而促進了具有均勻微觀結構和顯著減少陷阱態的二維/三維異質結構THP薄膜的生長。
因此，銫離子摻入的THP太陽能電池實現了17.13%的優異功率轉換效率（認證值16.65%），并在氮氣氣氛下連續在1太陽光照射下穩定運行超過1500小時，無需封裝。本研究為混合維度異質結構的膠體化學和晶化工程提供了新的見解，為高性能無鉛鈣鈦礦光伏材料的發展鋪平了道路。
研究亮點
1.實驗首次通過引入小型無機銫離子(Cs+)部分替代笨重的有機銨離子(PEA+)，成功調控了二維/三維（2D/3D）錫鹵化物鈣鈦礦（THP）薄膜的結晶過程，得到了具有均勻微結構的高質量2D/3D異質結構THP薄膜。
2.實驗通過降低2D鈣鈦礦膠體的聚集能壘，促進了2D和3D THP膠體在前驅體溶液中的凝聚，成功同步了2D和3D THP的成核動力學，從而顯著減少了缺陷態和陷阱態，獲得了更高效的光伏性能。
3.實驗發現，在最佳的銫離子摩爾比（5%）下，銫摻雜的THP太陽能電池表現出優異的功率轉換效率（PCE）為17.13%（經認證為16.65%），并在氮氣環境下無封裝情況下，經過連續一個太陽光照射1,500小時后，仍保持穩定的性能。
圖文解讀
圖1：摻Cs+與未摻Cs+的錫基鈣鈦礦前驅體的膠體穩定及薄膜結晶動力學。
圖2：二維/三維錫基鈣鈦礦薄膜的相分布與晶體取向。
圖3：錫基鈣鈦礦器件性能與穩定性。
圖4：缺陷分析與載流子動力學。
總結展望
本研究提出了一種簡便的膠體調控策略，成功實現了二維和三維鈣鈦礦薄膜的成核動力學同步，進而制備出了均勻的二維/三維異質結構薄膜。這一方法有效地改善了薄膜的微觀結構，抑制了缺陷的形成，并提高了光電性能。其次，研究指出，盡管改善了鈣鈦礦薄膜的質量，仍然存在頂部表面和埋藏界面的陷阱態問題，這為未來的界面工程提供了新的研究方向。例如，雙層異質結構和表面配體修飾可以進一步優化薄膜性能。
更重要的是，本文提出的調控策略不僅限于光伏領域，其他要求高質量鈣鈦礦薄膜的器件，如發光二極管、光電探測器、激光器和晶體管，也能從中受益。這為未來無鉛鈣鈦礦光電子器件的高效發展提供了可行的路徑，推動了綠色環保材料的廣泛應用。因此，本文的研究為無鉛鈣鈦礦材料在光電子器件中的應用開辟了新的思路和方向。
原文詳情：
He, D., Chen, P., Steele, J.A. et al. Homogeneous 2D/3D heterostructured tin halide perovskite photovoltaics. Nat. Nanotechnol. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01905-4
