通过Ga掺杂La0.5Sr0.5FeO3阴极实现H-SOFCs电化学性能与耐久性的平衡优化

为解决有机-无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)稳定性差和效率瓶颈问题，研究人员采用顺序物理气相沉积(SPVD)技术制备γ-CsPbI3薄膜，系统研究CsI厚度对薄膜结构、光学及电学性能的影响。研究发现400nm CsI厚度可形成纯相γ-CsPbI3，其陷阱态密度低至1.21×1014 cm?3，最终制备的FTO/c-TiO2/CsPbI3/Au器件效率达4.93%，为全无机钙钛矿太阳能电池的产业化提供新思路。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其高达25%的转换效率(PCE)而备受瞩目，但其商业化进程始终被"3000小时魔咒"所困——这仅为硅基太阳能电池25年寿命的1/73。问题的核心在于有机-无机杂化钙钛矿中挥发性有机组分(如MA⁺)的热不稳定性，以及溶液法制备导致的薄膜不均匀性。更棘手的是，传统共蒸发法虽能改善薄膜质量，却因复杂的速率控制要求而难以规模化。

为突破这些瓶颈，研究人员创新性地采用顺序物理气相沉积(SPVD)技术，通过精确控制CsI厚度(200-500nm)来调控γ-CsPbI₃薄膜的结晶行为。这项研究发表在《Materials Science and Engineering: B》上，揭示了全无机钙钛矿的结构-性能关系。

研究团队运用四大关键技术：X射线衍射(XRD)分析晶体结构演变，场发射扫描电镜(FE-SEM)观察表面形貌，原子力显微镜(AFM)量化表面粗糙度，以及空间电荷限制电流(SCLC)法测定陷阱态密度。特别通过威廉姆森-霍尔法计算晶格应变，结合紫外-可见光谱(UV-Vis)建立带隙与厚度的关联模型。

结构特性

XRD显示CsI厚度增至400nm时，(122)和(132)晶面衍射峰强度显著提高，晶格常数确定为a=4.88?、b=9.96?、c=16.5?的纯相正交晶系。威廉姆森-霍尔分析表明，微应变从6.17×10^-9降至1.69×10^-9 nm^-2，位错密度降低72.6%，这解释了电子迁移率从2.34×10¹跃升至4.72×10² cm²/V·s的原因。

形貌特征

FE-SEM显示400nm CsI样品呈现235nm超大晶粒，覆盖率>95%。AFM三维形貌图证实其表面粗糙度最低(38.3nm)，优于200nm样品的44.0nm。这种"自平整"效应源于SPVD过程中CsI纳米颗粒对表面缺陷的自主填充机制。

光电性能

Tauc曲线揭示退火使带隙从2.38eV红移至2.05eV，归因于晶格弛豫导致的八面体倾斜角减小。SCLC测试发现400nm样品的陷阱填充极限电压(V_TFL)仅0.285V，对应1.21×10¹⁴ cm^?3的缺陷密度，比300nm样品降低1个数量级。

器件性能

FTO/c-TiO₂/CsPbI₃/Au器件中，400nm CsI样品实现Voc=0.75V、Jsc=18.66mA/cm²，PCE达4.93%，较200nm样品提升146%。值得注意的是，600nm样品因晶界复合加剧导致效率回落到4.04%，证实了"厚度窗口效应"。

这项研究确立了SPVD法制备全无机钙钛矿的"黄金厚度"为400nm，其创新性体现在三方面：首次通过CsI厚度梯度实验建立晶格应变-带隙的定量关系；开发出室温制备γ-CsPbI₃的可靠工艺；为钙钛矿/硅叠层电池提供了理想顶电池材料。尽管当前效率与溶液法合成的α-CsPbI₃(>20%)仍有差距，但其在85℃老化测试中展现的稳定性优势，为突破PSCs商业化瓶颈提供了新范式。