学术报告

作者与发表信息

此研究由以下主要作者开展：Wei Li, Mathias Uller Rothmann 和 Ye Zhu，他们隶属于武汉理工大学、Monash University 和香港理工大学等机构。本研究发表在期刊《Nature Energy》上，文章标题为“The critical role of composition-dependent intragrain planar defects in the performance of MA₁-ₓFAₓPbI₃ perovskite solar cells”，发表时间为2021年6月。

研究背景

本研究主要围绕有机-无机杂化钙钛矿（organic-inorganic hybrid perovskites）的光伏应用展开，该材料因为其高效的功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）以及低成本和简单的制备工艺，在下一代太阳能电池材料中备受关注。然而，这种材料中的晶粒内缺陷（intragrain planar defects）一直没有被充分研究，部分原因是研究与表征的挑战，部分原因是普遍认为这些缺陷的电学影响较小。尽管如此，近期理论和实验研究开始质疑这一假设，表明这些缺陷可能会对太阳能电池的性能产生显著影响，包括电流密度-电压（J-V）曲线的滞后效应和开路电压（Voc）的损失。因此，本研究旨在系统探讨晶粒内缺陷的形成机制、结构特征及对太阳能电池性能的影响，以进一步优化钙钛矿太阳能电池的性能。

研究目标

本研究的目标是通过调控甲基铵（MA）和甲脒（FA）的组成比，研究晶粒内平面缺陷（如{112}t孪晶和{111}c堆垛层错）对MA₁-ₓFAₓPbI₃钙钛矿太阳能电池性能的影响，分析这些缺陷的密度与结构如何与太阳能电池的关键性能参数（如载流子寿命、开路电压和J-V滞后）产生关联。

研究流程与方法

1. 材料与样品制备

研究中采用不同x值（x = 0, 0.1, 0.2, 0.5, 0.85, 1）来制备MA₁-ₓFAₓPbI₃薄膜，这些化学前驱体溶液按照特定浓度（约1.3M）通过气体辅助旋涂或抗溶剂法在基底上形成薄膜。对于FA浓度较高的样本，还引入了甲胺硫氰酸盐（MASCN）蒸汽处理，以减少平面缺陷的形成。此外，薄片样本直接沉积在薄碳涂层的透射电镜（TEM）网格上，以避免离子束制备引起的结构损伤。

2. 晶体结构与缺陷表征

借助超低剂量透射电子显微镜（ultralow-dose TEM）和X射线粉末衍射（PXRD）对MA₁-ₓFAₓPbI₃薄膜进行详细的晶体学表征，以分析其平面缺陷的类型与密度。此外，使用选区电子衍射（SAED）模式来研究不同x值样品的孪晶反射和堆垛层错结构，通过衍射条纹和特殊反射点的分布来检测相关缺陷。

3. 电学性能测试

测量相关太阳能电池的光电流密度—电压（J-V）曲线，并分析扫描速率和扫描方向对性能的影响。同时，通过时间分辨光致发光（PL）来研究不同材料在不同激发光强下的载流子寿命。此外，根据温度依赖电导性研究了不同组成样品中离子迁移的活化能，以探索缺陷对离子迁移的影响。

4. 数据分析与关联性研究

最后，研究团队对晶粒内缺陷密度与电池性能参数（如PCE, Voc，J-V滞后等）进行了相关性分析，利用实验结果验证了之前理论预测有关不同缺陷对材料性能影响的假设。

主要研究结果

晶粒内缺陷类型及密度

不同MA/FA比例对晶粒内缺陷的形成起到了决定性作用。当x≤0.2时，观察到{112}t孪晶缺陷，随着MA含量上升，孪晶密度增加；当x≥0.5时，薄膜则显示出{111}c堆垛层错缺陷，且随着FA浓度的增加，堆垛层错的表面密度显著提高（特别是当x = 1时，FA完全取代MA）。

电学性能与缺陷密度的关联性

研究发现，当x = 0.2时，材料几乎无晶粒内平面缺陷，具有最佳的载流子寿命（357ns）、最低的Voc损失（Voc deficit）和最小的J-V滞后。在x=1的FA完全取代体系中，由于{111}c堆垛层错的高密度，载流子寿命显著降低，同时离子迁移活化能也显著降低，显示出严重的J-V滞后。此外，通过MASCN处理降低{111}c缺陷密度能够显著提高FA基钙钛矿的性能。

晶体结构稳定性与性能的关系

Goldschmidt容忍因子T提供了钙钛矿结构稳定性的几何指标，当T≈1时，钙钛矿的结构最稳定。研究表明，在x≈0.2时，材料呈现立方晶系且无{112}t孪晶，而减少了平面缺陷的驱动力；随着x≥0.5，晶格逐渐过渡为六方晶系，进而诱发{111}c堆垛层错的形成。

研究结论

该研究明确了晶粒内平面缺陷结构对MA₁-ₓFAₓPbI₃钙钛矿太阳能电池性能的显著影响，尤其是高密度{111}c堆垛层错缺陷，可能引入点缺陷并促进位错的形成，不仅成为非辐射复合中心，也为离子迁移提供了通道。通过优化MA/FA的比例或者采用特定处理方式减少平面缺陷的密度，可以实现材料性能的显著优化。

研究亮点

1. 系统研究了晶粒内两种主要平面缺陷（{112}t, {111}c）的密度变化及其对太阳能电池性能的影响。
2. 首次证实了平面缺陷密度与离子迁移、J-V滞后及载流子寿命之间的强关联性。
3. 采用MASCN蒸汽处理等方法动态调控平面缺陷密度，为未来钙钛矿太阳能电池的优化提供了全新的路径。

研究意义

此项研究深化了我们对钙钛矿材料中晶粒内缺陷行为与光伏性能之间关联性的理解，为进一步优化材料设计和提升器件性能提供了关键指导。这不仅对钙钛矿太阳能电池领域具有重要的科学价值，还为其他基于钙钛矿的光电子器件提供了有益的参考。