有机无机杂化钙钛矿太阳电池光电转换效率在短短数年时间内便冲破了22%的大关，直逼传统的晶硅电池，并且该电池制备工艺简单和成本低廉，是极具发展前景的新一代薄膜电池技术。然而，截止当前科学家对该电池潜在工作机理仍然不甚明了，亟需加大研究力度。
莱斯大学Aditya D. Mohite教授课题组和洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员合作的最新研究发现，连续光照会引起钙钛矿薄膜晶格发生均匀膨胀，从而释放了晶体局部应力，减少了晶体的能垒和非辐射载流子复合，从而增强了电池的性能，即光诱导晶格膨胀有助于提升电池性能，进一步深刻揭露钙钛矿电池工作机理。研究人员首先通过旋涂法分别制备了单阳离子（MA+）的甲胺碘化铅（MAPbI3）钙钛矿薄膜和双阳离子（FA+、MA+）双金属混合的甲脒甲胺铯碘铅薄膜（FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3）。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）极图显示，相比MAPbI3，FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3薄膜晶体的晶格增大了，表明了FA+和Cs+成功地引入到MAPbI3立方相的晶格中。随后研究人员将制备的钙钛矿薄膜置于惰性气体氛围中进行连续辐照处理，结果显示辐照处理后的FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3薄膜晶格间距从6.29 Å增大到6.33 Å，即晶格发生了膨胀；类似现象在MAPbI3同样被观察到；表明了连续的光照诱导晶体晶格发生膨胀。且通过追踪观测发现，该结构变化具有弛豫现象（即结构变化的状态能够维持一段时间后才恢复）。接着研究人员将制备的钙钛矿薄膜FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3用于组装电池器件，系统研究光照诱导晶体膨胀对电池性能的影响。电流电压测试显示，光照前20分钟，电池的开路电压从0.73 V增加到0.9 V；20分钟后，电池开路电压和填充因子同时增大，且在光照时间推移至120分钟时达到了峰值，开路电压和填充因子分别增大至1.08 V和74%（光照前的数值分别为0.73 V和68%），从而将电池器件的效率从18.5%提升到20.5%。研究人员通过后续的光致发光和模拟研究发现，连续光照引起的晶格膨胀之所以增强电池性能主要是有两个原因：一是晶格膨胀使得晶格应力得到释放降低了钙钛矿界面能垒有助于载流子传输；二是膨胀使得晶面排列更加整齐，消除了晶体中的部分缺陷，减少了非辐射的复合。进一步的老化测试结果显示，基于MAPbI3钙钛矿薄膜电池在连续光照30分钟后性能就开始出现衰退；而采用FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3薄膜的电池在连续300分钟的光照测试下仍可维持初始效率的80%，展现出优异的稳定性，这主要是Cs元素的引入改善了晶体相结构稳定性所致。
该项研究首次通过实验手段系统地研究了连续光照对钙钛矿薄膜晶格及其器件的影响，揭露了光照诱导钙钛矿晶格膨胀与电池性能之间的相互关联，为设计开发高性能钙钛矿电池积累了宝贵的理论知识。相关研究成果发表在《Science》 。
（李明月 郭楷模）
