通过顺序物理气相沉积法制备正交相CsPbI3钙钛矿薄膜及其在太阳能电池中的应用研究

本研究针对全无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)稳定性差和效率低的问题，采用顺序物理气相沉积(SPVD)技术制备γ-CsPbI3薄膜，系统研究了CsI厚度对薄膜结构、形貌及光电性能的影响。研究发现400nm CsI厚度制备的薄膜具有最佳结晶性（晶粒尺寸243nm）和最低缺陷密度（1.21×1014cm-3），所构建的FTO/c-TiO2/CsPbI3/Au器件效率达4.93%，为全无机PSCs的规模化制备提供了新思路。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其卓越的光电转换效率成为研究热点，但其商业化进程仍受制于有机-无机杂化钙钛矿的稳定性问题。特别是传统MAPbI₃等材料在湿热环境下易分解，器件寿命通常不足3000小时，远低于硅基太阳能电池25年的标准。为此，科研界开始将目光转向全无机钙钛矿材料，其中CsPbI₃因其优异的热稳定性和1.6-1.72eV的理想带隙备受关注。然而，该材料存在室温下易发生正交相(γ相)向非光活性相转变、溶液法制备重复性差等问题，严重制约其实际应用。

针对这些挑战，来自南非的研究团队创新性地采用顺序物理气相沉积(SPVD)技术，通过精确控制CsI前驱体厚度（200-500nm），在FTO/c-TiO₂基底上成功制备了高纯度γ-CsPbI₃薄膜。这项发表在《Materials Science and Engineering: B》的研究，系统揭示了CsI厚度对薄膜微结构及器件性能的调控规律。

研究主要采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，场发射扫描电镜(FE-SEM)观察表面形貌，原子力显微镜(AFM)测定表面粗糙度，紫外-可见光谱(UV-Vis)测量光学带隙，并通过空间电荷限制电流(SCLC)法计算缺陷密度。此外，构建了FTO/c-TiO₂/CsPbI₃/Au器件结构进行光电性能测试。

【结构特性】XRD分析显示，随着CsI厚度增加，薄膜从200nm时的多相混合转变为500nm时的纯正交相，晶格常数确定为a=4.88?、b=9.96?、c=16.5?。Williamson-Hall分析表明，400nm CsI样品具有最小微应变和最大晶粒尺寸(243nm)， dislocation密度降至1.69×10^-9nm^-2。

【形貌特征】FE-SEM显示CsI厚度增加使晶粒尺寸从168nm增至235nm，400nm样品呈现最致密的表面覆盖。AFM证实表面粗糙度从44.0nm(200nm CsI)降至38.3nm(500nm CsI)，与XRD结果高度吻合。

【光学性能】UV-Vis测试发现，沉积态薄膜带隙随CsI厚度从2.38eV(200nm)降至2.24eV(500nm)，而100°C退火后带隙进一步降低至2.05eV，这种可调带隙特性为叠层电池设计提供了可能。

【电学性能】SCLC测量揭示缺陷密度与CsI厚度呈负相关，400nm样品具有最低缺陷(1.21×10¹⁴cm^-3)和最高电子迁移率(4.72×10²cm²/V·s)。对应器件效率从2.0%(300nm)提升至4.93%(400nm)，Voc达0.75V。

该研究通过SPVD技术实现了γ-CsPbI₃薄膜的可控制备，阐明了前驱体厚度-微结构-性能的构效关系。特别值得注意的是，400nm CsI制备的薄膜展现出最佳的结晶质量和最低缺陷密度，这为理解全无机钙钛矿的相稳定机制提供了新视角。相比传统溶液法，SPVD制备的薄膜具有更好的批次重复性和界面接触特性，所发展的厚度优化策略可推广至其他真空沉积钙钛矿体系。尽管当前器件效率与溶液法制备的CsPbI₃电池(>20%)仍有差距，但该方法避免了溶剂残留问题，更适用于规模化生产。未来通过引入空穴传输层和界面钝化，有望进一步提升器件性能，推动全无机PSCs的商业化进程。