【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學院喬梁教授團隊聯(lián)合德國慕尼黑工業(yè)大學(TUM)Peter Müller-Buschbaum教授、美國先進光源(ALS)Carolin M. Sutter-Fella教授以及德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)郭任君教授，在寬帶隙有機–無機雜化鈣鈦礦研究領(lǐng)域取得新進展，系統(tǒng)揭示了混合鹵素組分對寬帶隙鈣鈦礦薄膜結(jié)晶動力學與電荷轉(zhuǎn)移動力學的作用機制。相關(guān)成果以“Unveiling the role of halide mixing on crystallization kinetics and charge transfer mechanisms in wide-bandgap organic-inorganic halide perovskites”為題，發(fā)表在《Energy & Environmental Science》。電子科技大學為論文第一單位，物理學院李念講師為論文第一作者，喬梁教授為共同通訊作者。
 

圖1.基于同步輻射X射線散射研究鈣鈦礦薄膜結(jié)晶動力學
 

　　溴-碘(Br-I)混合鹵化物寬帶隙(WBG，溴含量>20%)鈣鈦礦薄膜是打造高效疊層太陽能電池的關(guān)鍵材料。然而，高溴含量常引發(fā)快速且非均勻的結(jié)晶，導致產(chǎn)生大量缺陷，并伴隨高密度的晶界和成分不均一。盡管已有多種策略用于改善富溴薄膜質(zhì)量，但目前領(lǐng)域內(nèi)對混合鹵素寬帶隙鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學仍缺乏系統(tǒng)認識，尤其是溴混合對其結(jié)晶動力學的影響機制尚不明確。更為關(guān)鍵的是，鹵化物組成、結(jié)晶動力學、晶體結(jié)構(gòu)與電荷轉(zhuǎn)移動力學之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)尚未被充分揭示，這一認知空白制約了材料與器件性能進一步提升。
 

　　為解決這一困境，研究團隊采用同步輻射多模式原位表征，將掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)與熒光光譜(PL)聯(lián)用，實現(xiàn)了對 MAPbI3-xBrx 鈣鈦礦體系結(jié)晶過程的實時、多維解析，揭示了兩條截然不同的結(jié)晶路徑：其一為過渡中間相輔助生長模式(富碘組分)，其二為自上而下生長模式(富溴組分)。在較高溴含量下，后者使薄膜表面層充當“結(jié)構(gòu)模板”，誘導形成排列規(guī)整、以垂直取向為主的晶體擇優(yōu)取向。進一步發(fā)現(xiàn)，在熱退火過程中，富溴寬帶隙鈣鈦礦薄膜經(jīng)歷溶解–再結(jié)晶過程，并伴隨發(fā)生鹵素均質(zhì)化，導致薄膜內(nèi)引入了大量缺陷。
 

　　圖2. 基于GIWAXS+PL原位表征MAPb(I1-xBrx)3鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學：(a-d)GIWAXS+PL數(shù)據(jù)，(e,f)結(jié)晶生長模式示意圖。
 

　　研究團隊將薄膜微觀結(jié)構(gòu)(主要指晶體取向和本征缺陷)與鈣鈦礦薄膜/器件的電荷轉(zhuǎn)移機制關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)富溴寬帶隙鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出更強的載流子傳輸能力，但也更易產(chǎn)生非輻射復合中心，從而損耗光電轉(zhuǎn)換效率。研究指出，在晶體擇優(yōu)取向與缺陷抑制之間實現(xiàn)平衡，是高性能寬帶隙鈣鈦礦器件設(shè)計的關(guān)鍵。該成果不僅深化了對 Br-I 混合寬帶隙鈣鈦礦“組分-結(jié)晶動力學-晶體結(jié)構(gòu)-載流子動力學”關(guān)系的理解，實現(xiàn)從原子/分子尺度到宏觀器件性能的完整關(guān)聯(lián)模型，也為今后實現(xiàn)可控結(jié)晶調(diào)控、提升光電性能提供了重要指導。