通过顺序沉积法制备均匀FACsPbI3薄膜实现高效稳定钙钛矿太阳能电池

这篇研究通过创新性顺序沉积法构建δ相PbI2薄膜，解决了FA-Cs钙钛矿（FACsPbI3）中Cs离子垂直分布不均的核心难题。实验证实该方法使钙钛矿器件效率（PCE）从22.96%提升至24.59%，并通过原位GIWAXS技术揭示均匀分布样品具有更慢的δ相形成速率和晶格收缩程度，为高效稳定钙钛矿太阳能电池（PSCs）的产业化提供了新思路。

　　

钙钛矿太阳能电池的均质化突破

1 引言

甲脒碘化铅（FAPbI₃）钙钛矿因其1.48 eV的理想带隙成为光伏研究热点，但α相向δ相的不可逆转变严重制约其商业化。通过引入铯（Cs）形成FA-Cs合金钙钛矿（FACsPbI₃）可提升相稳定性，但传统一步法会导致Cs在薄膜表面或底部异常聚集，引发能级失配和黄色非光活性相形成。

2 结果与讨论

2.1 Cs均质化薄膜构建

研究团队发现将Cs源（CsI+MACl）直接加入PbI₂溶液会形成α相PbI₂复合物，阻碍FA⁺/Cs⁺扩散。而预先沉积Cs源可诱导δ相生成，其较大晶格间距促进离子均匀分布。角度分辨GIWAXS显示均匀样品（h-perovskite）的（012）峰位移量（Δq=0.004 ?^-1）远低于非均匀样品（i-perovskite，Δq=0.015 ?^-1），证实了垂直方向的Cs梯度分布差异。

2.2 光伏性能提升

h-perovskite器件实现24.59%的冠军效率（V_OC=1.183 V，J_SC=25.55 mA/cm²），较i-perovskite提升7%。关键改进源于：

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  埋底界面孔洞减少（SEM证实）

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  载流子寿命提升（玻璃基底TRPL达457.30 ns）

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  光吸收增强（700-880 nm波段吸光度提高）

2.3 薄膜特性解析

EDS显示h-perovskite中Cs原子比在顶/底界面差异<5%，而i-perovskite差异超30%。PL测试发现i-perovskite存在7.5 nm蓝移，证实组分梯度导致能带弯曲。AFM显示h-perovskite底界面粗糙度（5.7 nm）显著低于i-perovskite（7.4 nm），有利于电荷提取。

2.4 原位降解机制

120分钟持续光照下，i-perovskite器件出现明显δ相特征峰（q=0.6-0.8 ?^-1），PbI₂/钙钛矿峰面积比增加17%，晶格收缩率达0.3%。而h-perovskite的微应变始终稳定，T₈₀寿命达3000分钟，是i-perovskite的4.5倍。

3 结论

该工作通过δ相前驱体工程实现了Cs离子的三维均匀分布，同步解决了效率与稳定性难题。特别是原位GIWAXS揭示了晶格应力与相变速率的关联性，为钙钛矿太阳能电池的理性设计提供了新范式。