武漢理工大學AFM：直觀原子破譯鈣鈦礦薄膜鹵素相分離

一、?【導讀】 ?

新一代疊層鈣鈦礦太陽能電池，通過形成由寬帶隙頂電池和窄帶隙底電池組成的串聯電池結構，能有效提升電池效率，經濟效應快速提升，已成為新能源領域的重要發展方向之一。其中寬帶隙鈣鈦礦頂電池常常在陰離子位共混碘離子（I^-）和溴離子（Br^-）形成混合鹵素鈣鈦礦結構，實現了理想帶隙約1.6-1.8eV。然而混合鹵素鈣鈦礦易發生鹵素相分離，傾向于分離成富碘相和富溴相，導致光生載流子易聚集在具有較低帶隙的富碘相中，產生較大的開路電壓虧損和電流-電壓遲滯，以及擾亂預期的電流匹配。因此，鹵素相分離會大幅削弱疊層太陽能電池的效率優勢和穩定性，這嚴重阻礙了鈣鈦礦太陽能電池的應用。

二、【成果掠影】

近日，武漢理工大學的研究團隊利用掃描透射電子顯微分析方法，在原子尺度直觀揭示了無機鈣鈦礦薄膜發生鹵素相分離的結構性起源。該研究表明鹵素相分離主要發生在應力集中的Ruddlesden-Popper反相疇界（RP-APB）處，以及RP-APB富集的晶界處。此缺陷結構為鹵素離子在晶內和晶界之間的遷移提供了“快速通道”。進一步根據其缺陷結構特征，通過添加過量的鹵化鉛前驅體，能夠有效消除RP-APB，并顯著抑制鹵素相分離。該工作為精準構筑高穩定性的混合鹵素鈣鈦礦薄膜和高效疊層鈣鈦礦太陽能電池提供了重要指導。

第一作者：楊辰全、殷志文

通訊作者：李蔚、胡執一、蘇寶連

參與單位：武漢理工大學（材料復合新技術國家重點實驗室、納微結構研究中心）、廣東省先進能源與技術實驗室（佛山仙湖實驗室）、比利時安特衛普大學（EMAT電鏡中心）、比利時那慕爾大學（CMI實驗室）

三、【數據概覽】

圖1 ?（A）RP反相疇界（RP-APB）的HAADF-STEM圖像；（B和C）圖A中區域1和2對應的FFT圖像；（D）90°孿晶結合RP反相疇界（90°twin-RP-APB）的HAADF-STEM圖像；（E和F）圖D中區域1和2對應的FFT圖像；（G和H）同一區域的RP-APB的HAADF-STEM和ABF-STEM圖像；（I）RP-APB和90°twin-RP-APB的結構示意圖；（J）多個RP-APB的HAADF-STEM圖像；（K）圖J中虛線紅框區域的原子列散射截面定量分析結果；（L）垂直RP-APB與水平RP-APB的結構示意圖。

圖2 ?（A）RP-APB的HAADF-STEM圖像，以及鹵素原子列的散射截面定量分析結果（插圖）；（B和C）圖A中區域1和2的原子尺度應力分布圖；（D）具有RP-APB的晶界處的HAADF-STEM圖像；（E）圖D中紅色框區域沿晶內（GI）到晶界（GB）處的鹵素原子列散射截面定量分析結果；（F）與圖E同一區域的原子尺度應力分布圖。

圖3 ?（A和B）晶界處HAADF-STEM圖像；（C和D）晶界處HAADF-STEM圖像及其鹵素原子列散射截面定量分析結果；（E和F）Br^-離子在塊體結構中和RP-APB處的遷移路徑和擴散勢壘；（G和H）I^-離子在塊體結構中和RP-APB處的遷移路徑和擴散勢壘。

圖4??（A）缺陷調控策略示意圖；（B-D）不同前驅液比例制備的CsPbIBr₂薄膜的HAADF-STEM圖像：（B）CsI過量，（C）化學計量比，（C）PbBr₂過量；（E）PbBr₂過量的CsPbIBr₂薄膜晶界處（GB）的HAADF-STEM圖像；（F）鹵素原子列的散射截面定量分析（E圖中紅框區域）；（G-J）F圖同一區域的原子尺度應力分布圖。

四、【成果啟示】

該研究建立了鈣鈦礦薄膜缺陷結構與相分離之間的內在關系，包括驅動力、離子遷移路徑、抑制策略等。有機統一了應力驅動的和缺陷介導的兩種鹵素相分離的理論模型，并提出了鹵素相分離的精準抑制策略，為設計高效高穩定性疊層鈣鈦礦太陽電池和發光二極管（LED）器件提供了重要指導和科學依據。

原文詳情：

Chen-Quan Yang, Zhi-Wen Yin, Wei Li, Wen-Jun Cui, Xian-Gang Zhou, Lin-Dong Wang, Rui Zhi, Yue-Yu Xu, Zhi-Wei Tao, Xiahan Sang, Yi-Bing Cheng, Gustaaf Van Tendeloo, Zhi-Yi Hu, Bao-Lian Su, Atomically Deciphering the Phase Segregation in Mixed Halide Perovskite, Adv. Funct. Mater., 2024, 2400569.

https://doi.org/10.1002/adfm.202400569