我国近年来大力推进

清洁能源科学与技术的发展

钙钛矿太阳能电池

作为一种新型的清洁能源技术

为推动我国光伏产业

高质量发展注入新的动能

目前

反式结构钙钛矿太阳能电池的光电转换效率

仍低于其理论极限

亟须阐明钙钛矿晶界缺陷来源

并针对开发新的方法来克服这项挑战

目前，反式结构钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍低于其理论极限，主要原因之一在于钙钛矿吸光层的厚度不足，导致对入射光子能量的俘获不够充分。通常来说，增加钙钛矿吸光层的厚度可以增强对入射光的吸收，从而提高对入射光子的俘获能力，获得更多的光学增益，进而提升光电转换效率。然而，钙钛矿吸光层中存在缺陷，吸光层薄膜增厚往往伴随着薄膜中缺陷的增加，导致薄膜中非辐射复合变得更加严重、电池光电转换效率降低，入射光吸收增强带来的光学增益会被抵消。因此，亟须阐明钙钛矿晶界缺陷来源并针对开发新的方法来克服这项挑战。

基于此，研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算发现，高密勒指数的（211）晶面在生长延伸至薄膜表面时，具备自发调节碘原子数量至化学计量比状态的“自钝化”能力。在“自钝化”后，（211）晶面的表面能进一步降低，且对化学势的依赖性较小，能够在复杂环境下保持稳定，从而提升薄膜的光电特性。然而，想要验证这一计算结果，需要对钙钛矿的相关晶面及晶界进行直接观测以提供真实的实验图像。通过电子显微镜对钙钛矿晶面及晶界进行原子级分析是最直接、真实的观测手段之一，但有机无机杂化钙钛矿材料中存在弱结合力的有机位点，其难以承受常规高能电子束辐照带来的损伤。为了克服这项挑战，我校工学部韩兵课题组创新性地结合“液氮温度控制+低温自动进样系统+直接电子相机+超低剂量成像技术”，实现了有机无机杂化钙钛矿材料晶界的无损原子级观测。研究团队发现在（211）取向晶粒与（001）取向晶粒之间形成了“相干晶界”，抑制了晶界位置的悬挂键、点缺陷、线位错等（图1）。研究团队通过精准控制钙钛矿薄膜涂布阶段的环境温度，优化钙钛矿薄膜的成核和晶粒生长过程，成功制备出具有高密勒指数（211）晶面择优取向的高质量钙钛矿厚膜，并揭示其在减少薄膜电学损失方面的机理。

图1.原子尺度高分辨率冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）图像及相干晶界/非相干晶界/准相干晶界。（a）钙钛矿[211]晶带轴与[001]晶带轴之间相干晶界的高分辨冷冻电镜图像；(b)相干晶界的放大图；（c）对应的快速傅里叶变换（FFT）图案；（d）相干晶界的理论原子模型；（e）钙钛矿[001]晶带轴之间非相干晶界的高分辨冷冻电镜图像及（f）对应的快速傅里叶变换（FFT）图案；（g）钙钛矿[001]晶带轴之间准相干晶界的高分辨冷冻电镜图像

基于这一机制，研究团队通过调控钙钛矿薄膜中的高密勒指数晶面，制备出微米级厚度的高质量钙钛矿光吸收层，并进一步制备出高性能反式钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率最高达26.1%（第三方认证值为25.85%），同时，电池在光、热等外界条件下的稳定性也有显著改善（图2）。以上理论与实验结果表明，调控钙钛矿薄膜中的高密勒指数晶面及其相干晶界，将有助于获得高质量的、微米级厚度的钙钛矿光吸收层，这为实现高性能钙钛矿太阳能电池提供了重要的方法指导。

图2.电池光电转换效率及稳定性。（a-c）0.07 cm²电池、1 cm²电池以及迷你模组的最高光电转换效率；（d）电池稳定性。