纯3D样品具有各向同性结构（a）；纯3D钙钛矿薄膜的SEM图片。
铅基钙钛矿是颇具潜力的太阳能电池板材料，它能有效地将光能转化为电能。然而，铅基钙钛矿材料也存在一些缺点，例如稳定性欠佳，铅元素有毒性。《先进功能材料》杂志报道，荷兰格罗宁根大学的科学家们正在对铅基钙钛矿的替代品展开研究。他们认为，影响太阳能电池效率的两个重要因素是成膜能力和电池材料的结构。因此，研究并改善无铅钙钛矿晶体的形成和晶体结构，对太阳能电池的性能优化有重要意义。
2009年，混合钙钛矿光伏电池首次进入研究人员视野，他们发现这种新型电池几乎和标准硅基太阳能电池一样高效。这类材料具备非常独特的晶体结构：在立方单元晶胞中，阴离子围绕中心阳离子形成八面体，而立方体的四角则被其他更大的阳离子占据。利用不同的离子，可以制造不同种类的钙钛矿材料。
以铅为中心阳离子的钙钛矿材料虽然具备迄今最佳的太阳能电池性能，但出于环保考虑，研究人员希望用锡基材料作为替代品，例如，甲脒基碘化锡（FASnI3）。然而，FASnI3的稳定性还有所欠缺。为了提高稳定性，研究人员尝试在3D FASnI3晶体中混入含有机阳离子的苯乙胺（PEA）类层状材料。助理教授Giuseppe Portale说：“Maria Loi教授等发现，加入少量PEA可以使FASnI3变得更加稳定和高效。然而，PEA的用量太多，反而会造成电池光电效率降低。”
Portale开发了一种X射线衍射技术，使研究人员能够实时研究使用旋涂法时的薄膜的快速形成。在实验室中，研究人员先将前驱体溶液输送到快速旋转的基板上，溶剂蒸发时，晶体开始生长。借助欧洲同步辐射设备，Portale研究了锡-钙钛矿薄膜形成过程中的情况。Portale解释说：“我们最初的想法是调查定向晶体在基质表面的向上生长。然而X射线结果恰恰相反，晶体在空气/溶液界面生长了。”实验中，Portale使用了3D FASnI3和2D PEASnI4的混合样品。在纯3D钙钛矿中，晶体大部分是在溶液中形成的。然而，2D PEASnI4的加入抑制了大块结晶，晶体只从界面处生长。Portale说：“PEA分子在前体溶液中起着积极作用——配位稳定与阻止成核。”
Portale等的研究成果表明，基板/薄膜界面会聚集2D类钙钛矿，如果2D材料的含量过高，会形成2D有机扩展层，产生绝缘作用，这不利于设备效率的提高。因此，研究人员认为，为了获得高效稳定的锡基钙钛矿，必须防止绝缘层的形成——溶剂、温度或特定的钙钛矿/基板相互作用都能破坏厚绝缘层。
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编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编： 张梦
期刊来源：《先进功能材料》
期刊编号：1616-301X
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200406120138.htm
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