窄帶隙 (≈1.2 eV) Pb-Sn 合金鈣鈦礦太陽能電池是一種有前途的全鈣鈦礦串聯器件底部組件電池，有望提供比單結太陽能電池的理論Shockley-Queisser 極限更高的效率。密度泛函理論 (DFT) 研究表明，具有 (100) 取向的 Pb-Sn 鈣鈦礦薄膜會顯著降低陷阱密度，這是鈣鈦礦器件性能的關鍵品質因數。

來自陜西師范大學的學者將烷基二胺作為成核劑錨定在表面上，以調節 Pb-Sn 鈣鈦礦的生長，使其優先沿著 (100) 取向進行。觀察到二胺陽離子不僅在成核階段有效地誘導了晶體生長，但也保留在晶體表面，最終鈍化生成的鈣鈦礦薄膜。結果表明，正如 DFT 研究所預測的，二胺基薄膜顯示出具有優異光電性能的 (100) 擇優取向。因此，實現了 20.03% 的最高功率轉換效率，是此類設備中最高的效率之一。這些發現為理論上設計表面成核以誘導鈣鈦礦材料優先生長以獲得更好的光電性能提供了一種可行的策略。

圖1. 立方 FASnI3模型的各種晶面 a-d) 和立方 MASnI3模型的 e-h)表面上陷阱態的 DFT 計算。

圖2. a) XRD圖譜。b) XRD圖案的峰強度比。c) 帶/不帶 ADI 的 Pb-Sn 合金鈣鈦礦薄膜的俯視 SEM 圖像和 d) AFM 圖像。

圖3. a) 穩態 PL 光譜，b) 來自 TA 光譜的電荷載流子壽命，以及 c-f) 對照和基于 ADI 的鈣鈦礦薄膜的 Sn 3d XPS 光譜。

圖4. PDA陽離子在鈣鈦礦薄膜中的作用。a) TOF-SIMS 表征，b) 水接觸角測試，和 c) 對照和 PDA 基薄膜的晶體取向示意圖。

圖5. 鉛錫合金太陽能電池的光伏性能。a)具有倒置平面異質結的器件結構。b)有/無 ADI 的 Pb-Sn 合金器件的J-V曲線。c) 控制和基于 PDA 的設備的EQE 譜。d) 基于 PDA 的設備的 MPP 效率。

圖6. a) UPS 光譜，b) 基于從 UPS 光譜計算的參數的能級方案，c) C-V曲線，以及 d) 控制和基于 PDA 的設備的 TPV曲線。

圖7. 未封裝在 a) 空氣和 b) N2（手套箱）中的 Pb-Sn 合金太陽能電池的穩定性。所有器件的J-V曲線均在空氣條件下測量。

總之，本文開發了一種由自發表面配體錨定誘導的定向生長策略。根據DFT計算，以(100)-優先取向改善鈣鈦礦結晶可能是減少陷阱輔助非輻射復合和提高Pb-Sn合金鈣鈦礦薄膜穩定性的可行方法。通過將 ADI 引入 FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3在鈣鈦礦前驅體溶液中，二胺陽離子可以首先錨定在表面作為具有（100）優先取向的成核劑，然后作為模板調節晶體向下生長，最終作為鈍化層留在晶體表面。

結果表明，正如DFT研究所預測的那樣，獲得了具有優異光電性能的(100)-優選取向薄膜。因此，增強的光電特性轉化為超過 20% 的 PCE，同時降低了VOC損失。本文的研究結果為理論上設計表面成核以誘導鈣鈦礦材料優先生長以獲得更好的光電性能提供了一種可行的策略。





審核編輯：劉清