近期，西安電子科技大學(xué)集成電路學(xué)部的郝躍院士團(tuán)隊(duì)，在張春福教授和董航博士等人的共同努力下，于Advanced Energy Materials（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子24.4）上發(fā)表了題為“采用雙調(diào)控策略調(diào)節(jié)鈣鈦礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)以提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能”的研究成果。該論文的第一通訊單位為西安電子科技大學(xué)，合作單位為西安理工大學(xué)。論文的共同第一作者為集成電路學(xué)部的博士后董航與西安理工大學(xué)的屈晉松，而共同通訊作者則為西安電子科技大學(xué)的張春福教授和西安理工大學(xué)的盧剛。

高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備高度依賴于具有高結(jié)晶度和應(yīng)力可調(diào)性的鈣鈦礦薄膜沉積技術(shù)。然而，F(xiàn)APbI3鈣鈦礦材料的環(huán)境敏感結(jié)晶特性往往導(dǎo)致結(jié)晶過(guò)程難以控制，從而限制了相關(guān)光電器件的性能提升。盡管科研人員已在材料制備、機(jī)理分析與器件實(shí)現(xiàn)方面取得了一系列成果，但對(duì)于大尺寸陽(yáng)離子/高沸點(diǎn)前驅(qū)體溶劑摻雜引發(fā)的鈣鈦礦薄膜成膜機(jī)理和應(yīng)力調(diào)控機(jī)制的研究仍顯不足，共性科學(xué)問(wèn)題尚待明確。

鑒于此，張春福教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的策略，即利用大晶粒尺寸有機(jī)陽(yáng)離子胍(GA+)和高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的協(xié)同摻雜，來(lái)調(diào)控鈣鈦礦薄膜的過(guò)飽和環(huán)境和中間相。通過(guò)精細(xì)管理成核和結(jié)晶過(guò)程，團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了大晶粒尺寸、均勻且致密的高性能鈣鈦礦薄膜沉積工藝。結(jié)合XRD、GIXRD、原位測(cè)試結(jié)果和第一性原理計(jì)算，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，相較于大離子半徑有機(jī)陽(yáng)離子的摻入，結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的調(diào)整是誘導(dǎo)薄膜應(yīng)力變化的主要因素。采用此策略制備的薄膜，其平均晶粒尺寸增大至715.33nm，最優(yōu)電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25.38%，且未封裝的器件在富濕環(huán)境中保存2160小時(shí)后，仍能保留93.09%的初始效率。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)正處于產(chǎn)業(yè)化前夕，但薄膜的均勻制備和穩(wěn)定性提升仍是制約其商業(yè)化生產(chǎn)的難題。為此，研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于大面積、均勻、穩(wěn)定鈣鈦礦薄膜沉積技術(shù)的研究，并已開(kāi)發(fā)出基于狹縫涂布和刮涂技術(shù)的多種高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜沉積工藝和器件組裝技術(shù)。此次的研究成果是團(tuán)隊(duì)在薄膜沉積技術(shù)優(yōu)化和內(nèi)部應(yīng)力調(diào)控這一基礎(chǔ)研究方向上的最新進(jìn)展。該技術(shù)主要利用大離子半徑有機(jī)胍鹽和高沸點(diǎn)NMP有機(jī)溶劑，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控薄膜的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和內(nèi)部應(yīng)力，為高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜沉積技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了新的思路，也為高效、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的制備提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)支持，有助于我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。