钨氧化物修饰碳糊电极用于高灵敏度氢醌检测及γ-CsPbI3钙钛矿薄膜的SPVD法制备与光伏性能优化

本研究针对全无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)的稳定性与效率瓶颈，采用顺序物理气相沉积(SPVD)技术制备γ-CsPbI3薄膜，系统探究CsI厚度对薄膜结构、光电特性的影响。研究发现400nm CsI厚度可优化结晶质量（晶粒尺寸达243nm），降低缺陷密度至1.21×1014 cm-3，最终实现HTL-free器件4.93%的转换效率，为全无机PSCs的规模化制备提供新思路。

　　

在新能源技术迅猛发展的今天，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其卓越的光电转换效率(PCE)和低廉的制造成本被视为光伏领域的明日之星。然而，传统有机-无机杂化钙钛矿(OIP)材料面临的核心困境在于：环境稳定性差(寿命仅3000小时)、相变敏感、以及铅卤八面体结构在湿热条件下的不可逆降解。更令人遗憾的是，当前高效率钙钛矿器件多依赖溶液法制备，其薄膜均匀性和批次重复性始终难以兼顾。

针对这些挑战，研究人员独辟蹊径地选择了全无机CsPbI₃作为研究对象。这种材料虽具有优异的热稳定性(立方相α-CsPbI₃带隙1.7eV)，但其室温稳定的正交相γ-CsPbI₃(带隙2.8eV)存在光吸收不足的先天缺陷。更棘手的是，传统共蒸发法难以精确控制CsI/PbI₂化学计量比，易产生PbI₂残留(12.92° XRD特征峰)和晶界缺陷。

为突破这些限制，研究人员创新性地采用顺序物理气相沉积(SPVD)技术，通过独立调控PbI₂(固定100nm)与CsI(200-500nm梯度变化)的沉积参数，在FTO/c-TiO₂基底上成功制备出相纯γ-CsPbI₃薄膜。该工作近期发表在《Materials Science and Engineering: B》期刊，揭示了薄膜厚度与光电性能的构效关系。

关键技术方法包括：SPVD沉积系统实现CsI/PbI₂的逐层生长；XRD结合Williamson-Hall法解析晶体结构；FE-SEM/AFM表征表面形貌；UV-Vis测定带隙变化；空间电荷限制电流(SCLC)技术量化缺陷密度；最终构建FTO/c-TiO₂/CsPbI₃/Au器件进行光伏性能测试。

【结构特性】

XRD分析显示，当CsI厚度增至400nm时，(122)/(132)晶面衍射强度显著提升，对应正交相晶格常数a=4.88?、b=9.96?、c=16.5?。Williamson-Hall曲线证实微应变从6.17×10^-9降至1.69×10^-9 nm^-2，平均晶粒尺寸从170nm增长至243nm。特别值得注意的是，PbI₂残留峰(2θ=12.92°)的消失表明此时达到最佳化学计量比。

【形貌演化】

FE-SEM图像清晰展示出CsI厚度对晶粒生长的调控规律：200nm样品呈现208nm的紧密晶粒；300nm时出现239nm大晶粒但伴随孔洞；400nm样品形成190nm无针孔晶粒，这种"自修复"特性归因于SPVD的层间扩散优势。AFM定量分析表明，表面粗糙度从44.0nm(200nm CsI)降至38.3nm(400nm CsI)。

【光电性能】

UV-Vis显示退火薄膜带隙从2.37eV(200nm)降至2.05eV(500nm)，这种红移现象与晶格应变释放直接相关。SCLC测试揭示300-600nm器件的陷阱态密度呈U型曲线，400nm样品以1.21×10¹⁴ cm^-3的缺陷密度达到最优值。最终光伏测试表明，400nm CsI厚度的HTL-free器件实现Voc=0.75V、Jsc=18.66mA/cm²、FF=36.24%，其4.93%的PCE较传统MAPbI₃器件提升131%。

这项研究的重要意义在于：首先，SPVD技术解决了全无机钙钛矿的相纯度和厚度控制难题，400nm CsI厚度被证实为最优参数；其次，首次建立了CsI厚度-晶格应变-缺陷密度-光伏性能的定量关系，为器件优化提供理论指导；更重要的是，该工作展示的无HTL架构简化了制备流程，其大气环境兼容性(100°C退火)显著降低了产业化门槛。未来通过引入空穴传输层(HTL)和表面钝化，有望将γ-CsPbI₃基PSCs效率提升至商业化要求的15%阈值，其宽禁带特性(2.05-2.38eV)更使其成为叠层电池的理想顶电池材料。