3月7日，北京大學工學院周歡萍團隊與合作者在鹼性調控鈣鈦礦太陽能電池缺陷性質和結晶動力學的研究中取得重要進展，相關工作發表在著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications），題為Impacts of Alkaline on the Defects Property and Crystallization Kinetics in Perovskite Solar Cells（DOI: 10.1038/s41467-019-09093-1）。
有機-無機雜化鈣鈦礦作為一種新興的光電半導體材料，因其諸多優異的光電特性和低廉的製造成本，而受到了世界範圍內的研究人員的廣泛關注。從2009年至今，通過對鈣鈦礦材料性質、太陽能電池器件結構以及相關界面的不斷深入研究，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率從3.8%提升到了23.7%。不同於傳統的矽材料，有機-無機雜化鈣鈦礦通常被認為是一種較軟的離子晶體，在其多晶薄膜中容易形成各種各樣的點缺陷（如空位、間隙離子、反位取代等），它們往往作為非輻射複合中心，影響薄膜的光致發光的量子效率，降低太陽能器件的光伏性能。
近年來，人們一直在努力探索這些缺陷，以揭示其形成和消除的機理。研究發現，缺陷的形成與溶液狀態和加工條件息息相關，同時，通過添加合適的添加劑，改變溶液狀態，控制薄膜加工條件，可以降低鈣鈦礦多晶薄膜中缺陷密度，從而提高相應的器件的光電轉化效率。然而，目前對於如何大幅度消除各類碘基有機-無機雜化鈣鈦礦中的深能級缺陷，如間隙碘，還缺少普適可靠的手段。
(a) 弱鹼性消除鈣鈦礦薄膜深能級缺陷示意圖。(b) 鹼性影響鈣鈦礦薄膜結晶動力學示意圖
針對這一問題，周歡萍課題組及合作者，通過在前驅液中引入鹼性物種，促使單質碘雜質在不同的鹼性環境下發生歧化反應，有效的抑制和消除了前驅液中的單質碘雜質。同時，鹼性的引入進一步地影響了鈣鈦礦薄膜的結晶動力學和缺陷性質，大幅度提升了相應的鈣鈦礦光伏器件的開路電壓和光電轉化效率。該工作深入系統地研究了不同鹼性強弱對前驅液中碘單質的歧化反應（鹼性介質可使大部分零價碘缺陷還原成碘離子）、成膜過程中黃相黑相的結晶動力學（弱鹼性介質有利於光活性相黑相的形成，而強鹼性介質則抑制光活性相黑相形成）、鈣鈦礦薄膜中缺陷態密度的影響。同時，以乙酸甲脒作為一種「無殘留」的弱鹼性物質為例，可以有效地調控混滷鈣鈦礦(FA,MA,Cs)Pb(I,Br)3前驅體中陽離子的化學計量比，同時通過消除前驅液中的碘單質，大幅降低其薄膜中深層缺陷的密度。據此，該課題組成功製備了經美國Newport認證的20.87%效率的混滷鈣鈦礦太陽能電池，同時，開路電壓損失也降低至413 mV，為平面鈣鈦礦太陽能電池中認證值電壓損失最小的器件之一。
太陽能電池光伏性能。(a) PVSK和PVSK-FA器件的電流-電壓曲線。(b) 左圖：PVSK和PVSK-FA薄膜的吸收和PL光譜；右圖：PVSK和PVSK-FA器件開路電壓統計直方圖。(c) PVSK-FA器件的正反掃。(d) PVSK-FA器件的穩態電流密度和效率。PVSK和PVSK-FA器件的 (e) 瞬態光電壓衰減曲線和 (f) 變光強開路電壓曲線
該論文的第一作者是周歡萍課題組2016級博士生陳怡華。周歡萍特聘研究員為通訊作者。合作者還包括北京理工大學陳棋課題組、香港科技大學黃勃龍課題組、南京工業大學王建浦課題組、國家納米中心劉新風課題組、澳門大學邢貴川教授、中國科學院上海高等研究院李東棟研究員等。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金、先進電池材料理論與技術北京市重點實驗室等的聯合資助。