隨著能源危機和環境污染問題的日益嚴峻，太陽能等綠色可再生能源近年來得到了廣泛關注。伴隨著光電轉換效率的提升和生產成本的下降，太陽能電池愈加凸顯其廣闊的應用前景。有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池，作為新型太陽能電池的后起之秀，在短短七年內，光電轉換效率從3.8%迅速增長到22.1%。雖然鈣鈦礦太陽能電池在效率上已經取得重大突破，但人們對于鈣鈦礦材料本身的生長機理以及薄膜形貌的形成機制研究還需要進一步加強，而基于此的研究對鈣鈦礦材料的深入認知以及相應的光電器件的應用具有重大意義。

北京大學物理學院“極端光學創新研究團隊”的朱瑞研究員和龔旗煌院士等，針對鈣鈦礦材料從前驅液到多晶薄膜的結晶動力學和形貌演變過程進行了深入研究。該工作結合基于同步輻射的掠入射X射線衍射(GIXD)和傅立葉變換紅外光譜等先進的表征技術，對鈣鈦礦材料從前驅液到多晶薄膜進行原位實時探測，在結構變化上提出了“納米中間體組裝模型”，在分子或者納米尺度下研究鈣鈦礦的結晶和生長機理。同時調控鈣鈦礦結晶過程中的溫度和時間等參數，多維度研究印刷鈣鈦礦薄膜的結晶動力學。

在介觀尺度的薄膜形貌上，研究團隊利用基于復合光學顯微鏡的原位加熱實驗，觀察一步法鈣鈦礦薄膜的形成過程，建立“結晶-耗盡”物理模型，闡述周期性環帶鈣鈦礦薄膜形貌的形成機制。本研究全面報道了鈣鈦礦材料從分子層面的結晶生長到介觀尺度上的薄膜形貌。此外，研究者也對印刷鈣鈦礦太陽能電池進行了優化和表征，獲得了與傳統旋涂方法相當的器件光電性能，對鈣鈦礦太陽能電池從實驗室研究到工業化生產的轉化進行了積極的探索，具有一定的實際意義。

該研究工作發表在《自然通訊》雜志(Nat. Commun. 2017, 8, 15688)上。朱瑞研究員課題組的博士生胡芹和趙麗宸為該文章的共同第一作者。此研究是與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Thomas P. Russell教授和劉烽博士、英國薩里大學的張偉博士等合作展開的。該工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、“極端光學協同創新中心”“2011計劃”量子物質科學協同創新中心、“青年千人計劃”和美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)等單位的支持。


(a)印刷鈣鈦礦從前驅液到多晶薄膜轉換過程中不同階段的GIXD二維衍射圖;(b)鈣鈦礦結晶的納米中間體組裝模型;(c)印刷薄膜的形貌顯微鏡圖;(d)周期性“結晶-耗盡”物理模型示意圖。