近日，Energy & Environmental Science（《能源环境科学》）在线发表了物理科学与技术学院王植平教授课题组在钙钛矿太阳能电池领域最新研究成果。论文题目为“Enhanced electrical performance of perovskite solar cells via strain engineering” （《通过应变工程提高钙钛矿太阳能电池的电学性能》）。武汉大学物理科学与技术学院博士研究生程思阳、博士研究生杨远航和朱雪良博士为论文共同第一作者，武汉大学王植平教授为论文的通讯作者，武汉大学袁声军教授、林乾乾教授、刘晓泽教授、刘雍高级工程师以及西湖大学施恩政教授等人为论文的共同作者，武汉大学为第一署名单位。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电特性，如可调带隙、高吸收系数和高载流子迁移率，成为最具潜力的下一代光伏技术。目前，钙钛矿-硅叠层电池的效率已超34%，展现出与晶硅电池竞争的潜力。与传统晶硅电池不同，PSCs的光吸收层由多种元素组成，需要精确控制结晶和生长过程，以形成均匀的合金化成分并减少缺陷。然而，研究发现，在制备过程中，由于溶剂蒸发速率不同和温度梯度变化，晶体的结晶速率不均匀，导致晶格结构变形并产生残余应力。与其他晶体材料类似，钙钛矿的晶格应力会显著影响其物理和电子特性。如果应力过大，会引发晶格畸变，导致缺陷或位错，从而增加非辐射复合的可能性，降低电池效率。此外，应力会改变钙钛矿的电子能带结构，影响Pb-X键长、键角及轨道重叠，进而影响电荷传输、电导率和载流子迁移。研究表明，晶粒取向的差异会引起局部应力不均，导致非辐射复合增加，进而影响电荷输运。同时，界面处的应力可能会诱导相分离，尤其是在宽带隙钙钛矿薄膜中，对器件性能产生不利影响。然而，现有研究主要关注应力在平面内或界面处的分布，对垂直方向的应力研究较少。而实际上，太阳能电池中的电荷传输主要沿垂直方向进行，因此理解该方向的应力分布及其对器件效率和稳定性的影响尤为重要。

本研究发现，传统的结晶过程会在钙钛矿薄膜的垂直方向上产生显著的应力不均，从而降低电荷传输能力，影响器件的电性能和长期稳定性。通过原位光致发光（PL）研究，我们揭示了这种不均匀应力与薄膜自上而下的结晶方式密切相关。为解决这一问题，我们引入少量2-([2,2'-联噻吩]-5-基)乙胺碘化物（2TI），调控钙钛矿的结晶过程。该分子可与薄膜表面的铅-碘八面体结合，引导更均匀的自上而下结晶，从而减少垂直方向的应力不均，优化能带结构，提高电荷传输效率。最终，该方法显著提升了基于甲脒-铯（FA-Cs）的PSCs的电性能，同时改善了其效率和长期稳定性。

该研究得到了国家自然科学基金资金以及学校科研公共服务条件平台的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D4EE03760J