高平奇教授/党志亚副教授Nature Communications：钙钛矿中晶格膨胀有助于抑制卤素间隙缺陷和提升太阳电池

      由于其软晶格特性，钙钛矿的光电性质对晶格尺寸非常敏感。环境中的水分与钙钛矿相互作用是钙钛矿太阳电池领域由来已久的一个研究热点，在钙钛矿薄膜的制备、表征和相关器件制备过程中，常常无意中引入水分子。早先的研究表明，虽然大量水分子会导致钙钛矿的分解，但是，微量水分子的嵌入可引起钙钛矿表面晶格的轻微膨胀。钙钛矿晶格的轻微膨胀可大大降低其缺陷处载流子的非辐射复合系数，从而提高太阳电池性能。然而，这些水分子可以在后续的加热或者真空等环境中脱附，相应的晶格膨胀也将随即消失。到目前为止，对于水分子的去除和晶格膨胀的恢复将如何影响钙钛矿本身的结构和性质，以及相关器件的性能，仍然知之甚少。

      本工作系统追踪了预吸附有水分子的钙钛矿在真空中持续放置数小时至数十小时的过程中其结构演化过程。研究结果表明，有机-无机混合钙钛矿的结构变化主要分为两个阶段：真空首先诱发水分子的脱附，消除其表面的晶格膨胀；晶格膨胀的消除进一步引起带有正电荷的卤素间隙缺陷的产生。

图1. 真空下5h时钙钛矿MAPbBr₃的晶格膨胀被消除，进一步产生的缺陷导致晶格再次膨胀

      结合理论计算和拉曼实验，研究组提出了卤素间隙缺陷产生的可能机制：随着晶格膨胀的消除，有机分子发生旋转，促进60°中间相的形成，该中间相中，卤素原子之间的距离缩短，从而导致卤素分子二聚体的产生。这些卤素分子二聚体进一步和第三个卤素离子相互作用产生卤素三聚体。钙钛矿晶格中的卤素三聚体等效于带有正电荷的卤素间隙缺陷。

图2. 钙钛矿MAPbBr₃的晶格膨胀被消除时，有机分子的旋转和中间相 (“60° 相”)的产生

      该类缺陷作为载流子的非辐射复合通道，导致了相关太阳电池器件性能的恶化。这些新发现表明，无意吸附的水分子或其他因素（如薄膜制备过程引入的张应变）所导致的晶格轻微膨胀，竟然对混合钙钛矿结构的稳定性起到了不可忽视的作用。因此，该研究不仅有助于理解钙钛矿的本征结构和基本性质，还对相关器件的性能和稳定性提升提供了深刻的启发。

图3. 水分子的吸附和脱附对钙钛矿Cs₀.₀₅MA₀.₁FA₀.₈₅PbI₃太阳电池性能的影响

      上述成果于2025年9月29日以“Lattice Expansion of Hybrid Perovskite Inhibits Halogen Interstitial Generation and Enhances Solar Cell Performance”为题发表于期刊Nature Communications。威廉希尔WilliamHill官方网站料学院硕士研究生路通通为论文第一作者，威廉希尔WilliamHill官方网站料学院副教授党志亚、巴斯克大学助理教授Urko Petralanda、威廉希尔WilliamHill官方网站料学院教授高平奇为论文的共同通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金委青年项目、面上项目和广东省自然科学基金委面上项目、深圳市稳定支持面上项目的支持。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63693-8