钙钛矿是一类具有特征晶体结构、能够将光能高效转化为电能的材料，被视为有望超越现有硅基电池、实现更低成本、更高效率且具柔性特性的下一代太阳能电池核心材料。

然而，钙钛矿太阳能电池距离充分释放潜力仍有差距，关键瓶颈在于运行稳定性和长期耐久性。电池能否在长时间内高效、稳定地将阳光转化为电能，很大程度上取决于钙钛矿薄膜的结晶质量和缺陷密度。

韩国高丽大学、美国托莱多大学和首尔国立大学的研究人员近期提出了一种新策略，用于制备缺陷更少、原子排列更规整的高质量钙钛矿层。他们在《Nature Energy》发表的研究表明，通过这一方法获得的卤化物钙钛矿薄膜，可显著提升太阳能电池的效率与稳定性。

资深作者 Jun Hong Noh 在接受 Tech Xplore 采访时表示：“十多年来，我一直认为，在光吸收卤化物钙钛矿两侧引入由相似材料构成的载流层，将极大有利于钝化其表面和界面。”

他指出，这一思路与成熟技术中采用的结构类似，例如 GaAs 太阳能电池和硅异质结（HIT）太阳能电池。但与这些体系不同的是，卤化物钙钛矿难以像传统 n 型和 p 型半导体那样，直接制备出适用于此类结构的功能层。

为应对基于卤化物钙钛矿器件的这些挑战，Noh 团队转向了具有宽禁带的二维（2D）卤化物钙钛矿材料。

所谓宽禁带，是指价带（电子通常所处的能级）与导带（电子可自由移动并导电的能级）之间的能隙较大。宽禁带材料可以吸收高能量光（如蓝光和紫外光），但对低能量光（如红光和红外光）的吸收能力有限。

Noh 介绍：“我们在最近发表于《Nature Photonics》的综述中对这一概念进行了系统讨论。作为这项工作的延伸，我们在 2021 年发表于《Nature Energy》的研究中报道了一种固相面内生长方法，可在两层之间形成无化学反应的 2D/3D 结。”

“通过让二维薄膜与三维钙钛矿薄膜接触，并施加热和压力，我们成功在三维表面上生长出高度结晶的二维层。”

接触诱导效应：重塑三维钙钛矿的晶体序

在前期工作的基础上，Noh 及其同事进一步系统研究了温度以及二维卤化物钙钛矿中有机阳离子碳链长度等参数，对薄膜生长行为的影响。过程中，他们意外观察到一种关键效应。

团队发现，仅仅让二维与三维材料发生接触，就会显著改变三维层的光学性质，尤其是光致发光（PL）行为——即材料吸收光后再发射光的能力。值得注意的是，即便不施加额外热量或压力，这种变化同样会出现。

Noh 表示：“有趣的是，这些变化是可逆的，并且对有机阳离子的种类高度敏感。当我们进一步发现，这种接触作用会显著影响三维钙钛矿的相变行为，而且起源于二维和三维层中有机阳离子之间的相互作用时，我们非常兴奋。”

研究人员将这一现象归因于接触诱导的阳离子相互作用，而且这种相互作用本身是可逆的。在最新研究中，团队尝试让三维钙钛矿薄膜在相互作用后“锁定”在更有序、更优的结构状态，以便将这种结构改进转化为器件性能的持续提升。

Noh 解释：“为此，我们在二维与三维层接触之后引入了热处理。由于两种材料已经在界面发生相互作用，施加热量为这种相互作用提供了额外能量，我们推测这会使三维层的结构演化路径与传统工艺明显不同。”

研究人员将这一接触诱导改进策略重点应用于原始 FAPbI₃ 钙钛矿薄膜。该材料在常规条件下往往结晶不够理想。结果显示，采用该方法后，无需任何添加剂的 FAPbI₃ 薄膜，其晶格参数可被优化到非常接近理论理想值。

Noh 指出：“钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性高度依赖于钙钛矿薄膜的晶体学完美程度。效率损失主要来自表面和体相中的陷阱态，而陷阱态直接与缺陷相关。同样，已知相变往往从缺陷处开始。因此，获得近乎完美的晶体结构，是这一领域最关键的挑战之一。”

在该策略下制备的 FAPbI₃ 薄膜表现出向非钙钛矿相转变的趋势被明显抑制。即使将薄膜刮取成粉末，其相稳定性仍优于常规制备的 FAPbI₃ 薄膜。

效率达 26.25%，运行寿命约 24,000 小时

为验证这一方法在实际器件中的效果，Noh 团队将改性后的钙钛矿薄膜集成到太阳能电池中。结果表明，所得器件的光电转换效率最高达到 26.25%，在加速老化测试条件下的运行寿命约为 24,000 小时。

Noh 表示：“FAPbI₃ 钙钛矿是实现高效钙钛矿太阳能电池的关键组成之一。但要制备高度结晶的 FAPbI₃ 薄膜本身非常困难，因此许多此前的研究依赖各类添加剂来改善结晶质量。”

“然而，这些添加剂对器件长期稳定性的影响尚未完全厘清，也无法排除潜在的负面作用。我们认为这项工作意义重大，因为它展示了一种在无添加剂条件下制备高度结晶、接近理想结构的 FAPbI₃ 薄膜的可行路径。”

该团队提出的二维/三维薄膜接触工艺还有一个重要优势：易于放大到大面积制备，并能稳定获得缺陷更少的大尺寸薄膜。未来，其他研究者可以在此基础上对工艺参数进行优化，并尝试将这一策略推广到其他类型的卤化物钙钛矿体系。

Noh 表示：“通过这项研究，我们揭示了二维与三维钙钛矿之间一种新的相互作用机制。接下来，我们特别希望探索，是否可以通过使用结构更加完美的二维和三维薄膜，进一步增强这一效应。我们预期，提高两层接触界面的质量，将放大并澄清目前观察到的现象。”

在后续工作中，Noh 及其同事还计划将该方法应用于需要低温处理的器件结构。例如，在全钙钛矿叠层太阳能电池中，低禁带钙钛矿薄膜通常需要在宽禁带层之上以较低温度沉积。

Noh 补充道：“在这类体系中，很难在受限的温度和时间条件下实现充分结晶。我们相信，接触诱导结晶策略可以在这些受限条件下仍然形成高质量晶体结构，从而有望显著提升叠层器件的整体性能。”

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