钙钛矿太阳电池光电转换效率在过去短短十年内已从最初的3.8%上升到了24%以上，展现出了强劲的发展势头。尽管如此，但与理论极限转换效率（30.5%）相比还有很大的提升空间。因此，探明影响钙钛矿太阳电池效率的潜在因素，尤其是晶体缺陷（形成和演变机制），显得意义重大。意大利那不勒斯国家研究委员会微电子与微系统研究所（CNR-IMM）Corrado Spinella教授课题组采用原位低能量透射电镜系统研究甲基胺碘化铅（MAPbI2）钙钛矿薄膜中铅基缺陷形成演变机制，为改善钙钛矿薄膜成膜质量进一步提升器件性能积累了关键理论知识。
研究人员采用两步法在衬底上制备了MAPbI3钙钛矿薄膜，为了让低能量透射电镜能够有效地观测薄膜，薄膜的厚度被有效控制在40 nm（因为薄膜太厚低能电子无法到达理想薄膜深度）。随后采用 200 kV低能透射电镜对钙钛矿薄膜进行表征，且为了尽可能减少电子束对薄膜的影响将电子束设置成每隔4秒释放一次，连续追踪1500秒。扫描电镜测试显示，在初始的时候，辐照下MAPbI3钙钛矿薄膜表面光滑，呈现典型的多晶结构，晶体粒径在50-200 nm之间，且没有“针孔”存在。X射线衍射表征显示MAPbI3薄膜为纯相的钙钛矿，不存在PbI2杂相。随着时间推移，观察到在薄膜的晶界逐渐形成了纳米团簇，且逐步向三重晶界处移动，最终形成尺度在10-15 nm之间的众多纳米团簇，同时在原来的位置留下了缺陷空位。能量色散的X射线光谱测试表明纳米团簇化学成分是Pb，即Pb纳米团簇。同样测试条件，但没有辐照，则没有观察到Pb纳米团簇形成。意味辐照是引起Pb纳米团簇形成的潜在诱因。从长时间的实验观察可以发现，Pb纳米团簇在120s后尺寸就定下来了，不会随着测试时间的延长而进一步演变。但此时发现MAPbI2钙钛矿薄膜晶粒核心部分结构开始发生变化，逐步在其表面形成了细碎的纳米晶粒，并在850s后全部转化为细碎的纳米晶粒。X射线衍射表征显示该细碎的晶粒是PbI2。因此，研究人员推测，前120s的MAPbI3到Pb纳米团簇的变化和120s后的MAPbI3到PbI¬2纳米晶粒的变化动力学行为存在竞争关系。因此前120s Pb纳米团簇形成后就不再发生变化，也即Pb团簇形成受到MAPbI3到PbI2转变的限制。而且有趣的是，Pb纳米团簇和PbI2可以共享晶界，不存在两者的转化，而且就体量而言，PbI2体量远大于Pb团簇。因此如何对钙钛矿薄膜进行钝化处理（主要抑制MAPbI3到PbI2转变/Pb纳米团簇）是保持钙钛矿电池稳定性的关键因素。
该项研究对MAPbI3钙钛矿薄膜的降解过程进行了详细的表征研究，揭露了MAPbI3钙钛矿薄膜在降解的过程中存在两个相结构转变，一个是MAPbI3到Pb纳米团簇，另一个是MAPbI3到PbI2纳米碎晶粒转变，更加深刻理解了该类薄膜的降解机制，为薄膜钝化处理积淀了关键的理论知识，对改善电池性能具有重要的指导意义。相关研究成果发表在《Nature Communications》。
