优化湿度条件下热压后处理增强宽禁带卤化物钙钛矿纳米尺度电子特性

本综述系统探讨了湿度对宽禁带卤化物钙钛矿（FAPbI3)0.3(FAPbBr3)0.7）开放与致密晶界（GBs）结构的纳米尺度光电性能调控机制。通过扫描探针显微镜（SPM）技术，研究发现60%相对湿度（RH）处理24小时可显著降低致密晶界的陷阱态密度，提升光电流响应，并改善晶体质量。该研究为通过湿度工程优化钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能提供了重要理论依据和实践策略。

　　

引言

卤化物钙钛矿材料因其卓越的光电性能和机械特性，在光伏器件领域展现出巨大潜力。然而，其环境稳定性不足仍是制约商业化应用的关键瓶颈。研究表明，湿度对钙钛矿的影响具有双重性：一方面会导致材料降解，另一方面在适度湿度条件下又能钝化表面陷阱态。本研究通过扫描探针显微镜技术，系统分析了宽禁带钙钛矿（FAPbI₃)_0.3(FAPbBr₃)_0.7在不同湿度条件下的纳米尺度光电行为，重点关注开放与致密晶界结构的差异响应。

湿度依赖性表面形貌

研究显示，当相对湿度从10%升至60%时，开放晶界和致密晶界样品的表面形貌均未发生显著变化。即使延长暴露时间至24小时，表面粗糙度（RMS）值仍保持稳定。这一发现与先前报道中湿度导致表面形貌恶化的结果形成鲜明对比，表明该宽禁带钙钛矿材料具有优异的湿度稳定性。

湿度依赖性开尔文探针力显微镜（KPFM）测量

接触电位差（CPD）测量结果显示，开放晶界样品的表面电位随湿度升高而降低，表明其表面主导电荷为n型，可能源于水分子吸附产生的氧物种。相反，致密晶界样品的CPD在湿度变化过程中保持相对稳定。值得注意的是，在60%RH条件下，致密晶界样品的电位势垒（Δ?_GB）显著降低，且该变化不可逆，表明形成了稳定的表面修饰层。通过势垒模型计算发现，致密晶界的带电陷阱态密度（P_GB）显著低于开放晶界，且在60%RH处理24小时后进一步降低。

湿度依赖性电荷收集特性

导电原子力显微镜（C-AFM）测量表明，两种样品的光电流均随湿度升高而增加，但致密晶界样品的光电流幅值明显更高。局部电流-电压滞后曲线显示，开放晶界样品存在更显著的离子迁移现象，而致密晶界样品则表现出更好的离子迁移抑制能力。三维光电流映射显示，致密晶界样品在单晶粒内的光电流分布更加均匀，表明其表面陷阱态得到了有效钝化。

宏观尺度光伏性能

器件级测量结果表明，在60%RH处理24小时后，开放晶界样品的各项光伏参数均出现下降，而致密晶界样品则表现出性能提升：短路电流密度（J_SC）从11.91增至12.01 mA cm^-2，开路电压（V_OC）从1.19增至1.21 V，填充因子（FF）从71.01%提升至72.13%，最终能量转换效率（PCE）从10.07%提高至10.48%。同时，电流-电压滞后现象也得到明显改善。

湿度条件下的结晶性

X射线衍射（XRD）分析显示，60%RH处理24小时后，两种样品的（100）衍射峰半高宽均有所减小，表明结晶度提高。特别值得注意的是，致密晶界样品中PbI₂杂相（12.5°）和δ-FAPbI₃黄相（13°）的衍射峰强度显著降低，而（210）双峰（33.5°）变得更加对称，表明湿度处理促进了非活性相向活性钙钛矿相的转化。

结论

本研究通过系统性的原位纳米尺度表征，揭示了湿度对宽禁带钙钛矿材料光电性能的调控机制。研究表明，通过后热压处理形成的致密晶界结构结合60%RH/24小时的优化湿度处理，可有效降低陷阱态密度、抑制离子迁移、提高结晶质量，最终实现器件性能的显著提升。这项工作为通过晶界工程和湿度调控优化钙钛矿太阳能电池性能提供了重要的理论基础和技术路径。