大連化物所提出“溶劑–添加劑級聯調控”策略實現單一取向鈣鈦礦薄膜制備

近日，太陽能光電轉化與利用全國重點實驗室、我所太陽能研究部（DNL16）李燦院士、劉劼瑋副研究員等，在鈣鈦礦太陽電池晶面調控研究中取得新進展。研究團隊提出“溶劑–添加劑級聯調控”（Solvent–Additive Cascade Regulation，SACR）策略，通過協同調節溶劑誘導的中間相形成與添加劑主導的晶面生長動力學，實現了鈣鈦礦薄膜的單一取向可控生長，并揭示了晶面取向對器件性能與穩定性的決定性作用。

鈣鈦礦太陽電池因其高效率、低成本及工藝兼容性等優勢，被認為是新一代光伏技術的重要候選材料。團隊在前期研究中先后發展了在兩步法中誘導高（111）取向鈣鈦礦薄膜的制備方法（Energy Environ. Sci.，2024），實現了高有序堆疊的（001）晶面鈣鈦礦薄膜（Adv. Funct. Mater.，2025），并揭示了晶面取向分布對器件性能的關鍵影響（ACS Appl. Mater. Interfaces，2025）。在此基礎上，本工作進一步提出了可在溶液結晶階段實現取向調控的新策略，有效解決了隨機晶面取向導致的載流子傳輸損失與性能不穩定問題。

研究表明，溶劑體系在結晶前期通過形成特定的中間相結構，為晶體生長提供了初始取向模板。其中，DMF/DMSO體系傾向于生成與（111）晶面匹配的PbI?·DMSO絡合物，而DMF/NMP體系則更易形成與（100）晶面對應的PbI?·(DMF/NMP)復合相。在此基礎上，團隊引入環己胺（CHA）和環己胺碘化物（CHAI）等添加劑，通過其在晶面的選擇性吸附或化學反應，進一步調控晶面生長速率，從而實現了晶面取向從混合到單一化的精準調控。

系統表征結果表明，該SACR策略下獲得的（100）與（111）取向薄膜在載流子動力學、缺陷分布及界面能級等方面存在顯著差異：（100）取向薄膜具有更高的光生載流子壽命和更優的電荷傳輸能力，對應器件的光電轉換效率達到25.33%；而（111）取向薄膜因晶格致密、離子遷移受限，表現出更優的環境穩定性。該研究實現了對鈣鈦礦晶面取向的可控調節，并揭示了晶面取向與器件性能之間的內在耦合關系，為通過晶面工程制備高效與高穩定性兼顧的鈣鈦礦光伏器件提供了新思路。

上述工作以“Solvent-Additive Cascade Engineering Enables Single-Oriented Perovskite Films with Facet-Driven Performance and Stability”為題，發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。該工作的第一作者是我所DNL16博士研究生周薄。該工作得到中國科學院B類先導專項“高效低成本大面積鈣鈦礦光伏電池研究”、國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心、我所創新基金等項目的支持。（文/圖 劉劼瑋、周薄）

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