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主要作者及研究机构

本研究的主要作者包括Tianyi Huang、Shaun Tan、Selbi Nuryyeva、Ilhan Yavuz等，他们分别来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）、劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）、马尔马拉大学（Marmara University）等多个研究机构。该研究于2021年11月10日发表在《Science Advances》期刊上。

学术背景

本研究的主要科学领域是材料科学，特别是混合卤化物钙钛矿（mixed-halide perovskites）的成膜动力学及其对光电性能的影响。混合卤化物钙钛矿因其在串联太阳能电池（tandem solar cells）中的潜力而备受关注，尤其是在宽带隙（wide-bandgap, WBG）钙钛矿作为前电池吸收层的应用中，其能量转换效率（power conversion efficiency, PCE）已超过29%。然而，这类材料的电压损失（voltage deficit）问题限制了其最终性能。目前，关于电压损失的基本机制研究较少，且这一领域仍存在未解决的挑战。本研究的目的是通过对比宽带隙混合卤化物钙钛矿与其对应的三碘化物钙钛矿（triiodide perovskites），揭示混合卤化物钙钛矿的成膜动力学及缺陷物理机制，从而理解其性能限制因素。

研究流程

本研究分为多个步骤，详细流程如下：

1. 研究对象与样品制备
   研究对象为FAMACSPb(I0.8Br0.2)3（FA=甲脒，MA=甲基铵，CS=铯）混合卤化物钙钛矿及其对应的三碘化物钙钛矿FAMACSPbI3。这些钙钛矿薄膜通过溶液法制备，并在不同条件下进行退火处理。

2. 成膜动力学研究
   通过原位光致发光（in situ photoluminescence, PL）技术实时监测钙钛矿的结晶过程。实验使用532 nm激光二极管和可见光谱仪，在氮气手套箱中进行。PL信号在旋涂和退火过程中被连续记录，以分析钙钛矿的带隙演变和成膜动力学。

3. X射线衍射（XRD）分析
   通过XRD技术研究钙钛矿薄膜的晶体结构变化，特别是（001）峰的位置变化，以揭示溴化物（Br）的掺入对晶格常数的影响。

4. 第一性原理计算
   使用密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算溴化物与溶剂（如DMSO）的相互作用能，以及溴化物对钙钛矿成膜动力学的影响。通过优化分子构型和键距，分析不同卤化物与溶剂的结合强度。

5. 缺陷密度与光电性能表征
   通过时间分辨光致发光（time-resolved PL, TRPL）和准费米能级分裂（quasi-Fermi level splitting, QFLS）测量，分析钙钛矿薄膜的缺陷密度和非辐射复合损失。此外，使用正电子湮灭光谱（positron annihilation spectroscopy, PAS）技术，研究钙钛矿薄膜中缺陷的空间分布和密度。

6. 太阳能电池性能测试
   将制备的钙钛矿薄膜用于太阳能电池器件的制作，并测试其电流-电压（J-V）特性和外量子效率（external quantum efficiency, EQE），以评估其光电性能。

主要结果

1. 成膜动力学
   原位PL和XRD结果表明，混合卤化物钙钛矿的成膜过程经历了从富溴相到最终目标化学计量的卤化物均质化过程。溴化物的掺入显著改变了钙钛矿的成膜动力学，导致晶体生长速度减慢，并增加了缺陷的形成。

2. 缺陷密度与光电性能
   TRPL和PAS结果显示，混合卤化物钙钛矿薄膜的缺陷密度显著高于三碘化物钙钛矿，尤其是在薄膜表面区域。这些缺陷导致了更高的非辐射复合损失，从而增加了电压损失。

3. 第一性原理计算
   DFT计算表明，溴化物与溶剂的相互作用能较低，使得富溴相在成膜初期更容易成核。此外，溴化物的掺入增加了钙钛矿晶体的表面能，进一步促进了富溴相的形成。

4. 太阳能电池性能
   混合卤化物钙钛矿太阳能电池的开路电压（Voc）增益不足以补偿其带隙的增加，导致其能量转换效率低于三碘化物钙钛矿电池。

结论

本研究揭示了宽带隙混合卤化物钙钛矿的成膜动力学及其对缺陷形成和光电性能的影响。溴化物的掺入通过改变成膜动力学和增加缺陷密度，显著增加了非辐射复合损失，从而限制了钙钛矿太阳能电池的性能。这一研究为理解混合卤化物钙钛矿的性能限制因素提供了新的视角，并为优化钙钛矿太阳能电池的制备工艺提供了理论指导。

研究亮点

1. 重要发现
   溴化物的掺入通过改变钙钛矿的成膜动力学，增加了缺陷密度和非辐射复合损失，从而限制了其光电性能。

2. 方法创新
   本研究结合了原位PL、XRD、DFT计算和PAS技术，全面揭示了混合卤化物钙钛矿的成膜动力学和缺陷物理机制。

3. 研究对象的特殊性
   本研究聚焦于宽带隙混合卤化物钙钛矿，这类材料在串联太阳能电池中具有重要应用潜力，但其性能限制机制尚未完全理解。

其他有价值的内容

本研究还通过第一性原理计算，揭示了溴化物与溶剂的相互作用机制，为优化钙钛矿的成膜工艺提供了理论依据。此外，研究结果强调了卤化物均质化过程对钙钛矿薄膜质量的重要性，为未来的材料设计和工艺优化提供了新的思路。