太原理工大学张晨曦&郝玉英最新AEM:Mg₃Sb₂量子点诱导梯度晶面取向工程实现高效稳定钙钛矿太阳电池
- 2026-07-01 00:15:17
太原理工大学张晨曦&郝玉英最新AEM:Mg₃Sb₂量子点诱导梯度晶面取向工程实现高效稳定钙钛矿太阳电池
针对溶液法制备钙钛矿薄膜中结晶不可控导致晶面随机取向、界面缺陷态密度高及离子迁移严重等核心问题，太原理工大学光电工程学院团队创新性提出Mg₃Sb₂量子点（QDs）后处理诱导梯度晶面取向（GFO）工程策略。该研究通过将实验室合成的超小尺寸（~1.4 nm）Mg₃Sb₂QDs分散于异丙醇（IPA）中，在钙钛矿湿膜退火前进行旋涂处理。QDs自上而下梯度分布，其Mg²⁺与钙钛矿(001)晶面形成强Mg–I键，优先吸附并抑制(001)面生长，同时诱导(111)面择优取向，最终形成顶部(111)面主导、底部(001)面主导的梯度晶面取向薄膜。该GFO结构协同整合了(111)面低功函、高离子迁移激活能、高空穴迁移率及优异抗湿性，与(001)面低电子陷阱态密度和高电子迁移率的优势。同时，Mg²⁺与I⁻强相互作用钝化碘空位缺陷，抑制非辐射复合。最终，刚性器件实现25.18%的冠军效率（对比器件23.07%），柔性器件达24.03%，未封装器件在1000小时连续光照后保持75%初始效率，暗态存储6240小时保持超75%，并在6000次弯曲循环后保持82%初始效率，展现出优异的机械柔韧性。 ✅ 实现效率新突破：刚性PCE达25.18%，柔性达24.03%，均为同类型器件先进水平。 ✅ 开创晶面取向调控新范式：首次通过合金量子点实现纵向梯度晶面取向，为钙钛矿结晶动力学调控提供全新思路。 ✅ 揭示多面协同机制：将晶面工程、缺陷钝化、应力释放和离子迁移抑制统一于单一后处理策略。 ✅ 推动柔性光伏应用：兼具高效率与优异机械耐久性，为可穿戴能源器件提供可行方案。
Figure 1 — Mg₃Sb₂量子点的制备与基础物性表征 本组图系统展示了Mg₃Sb₂量子点（QDs）的"自上而下"制备路径及关键理化特性：通过块体刻蚀剥离获得二维Mg₃Sb₂纳米片，再经离子液体中超声破碎得到超小QDs；XRD证实QDs与块体标准谱（PDF#29-0131）峰位一致且无杂相，但衍射峰宽化符合小尺寸"尺寸效应"；分散实验显示QDs在异丙醇（IPA）中可稳定储存45天以上不分层、紫外吸收不变，解决了纳米材料在旋涂工艺中的团聚沉降问题；SEM/TEM/AFM进一步定量表征其形貌——纳米片呈清晰层状晶格条纹（面间距0.23 nm）、厚度约1.24 nm（单层），超声后QDs厚度约1.4 nm、横向尺寸约2.6 nm，属于零维限域尺度且晶格条纹清晰，证明其高结晶质量。整体确立了Mg₃Sb₂ QDs"超小尺寸、高结晶度、可稳定分散于旋涂溶剂"三大核心优势，为后续作为湿膜后处理添加剂调控钙钛矿结晶提供了材料学基础。 
Figure 2 — 薄膜制备策略、Mg₃Sb₂垂直梯度分布与综合质量提升 本组图揭示了Mg₃Sb₂ QDs的后处理工艺及其对钙钛矿薄膜的多维度优化：采用"湿膜旋涂QDs/IPA溶液后再退火"的创新流程，区别于常规直接退火对照组；TOF-SIMS深度剖析显示Pb信号贯穿全膜均匀分布，而Mg信号从表面向体内单调递减，确证Mg₃Sb₂ QDs以从上到下浓度梯度嵌入钙钛矿层（非均匀掺杂或仅表面残留）；SEM顶视/截面图像表明target膜覆盖率更高、晶粒更大更致密、几乎无针孔，截面堆垛规整度显著提升，对应AFM测得表面粗糙度从16.79 nm降至12.27 nm，优化了与空穴传输层的界面接触；XRD结果显示(111)晶面衍射峰（24.37°）显著增强、残余PbI₂峰减弱，(111)/(001)强度比升高，证明QDs诱导了择优取向生长并提升整体结晶度，且无峰位移排除了Mg²⁺/Sb³⁺取代Pb²⁺的晶格重构可能；吸收光谱增强+轻微红移反映带隙微调与吸光能力提升，PL mapping/谱线荧光更强且分布更均一，表明非辐射复合被有效抑制、缺陷密度降低。整组图核心结论为：Mg₃Sb₂ QDs通过梯度嵌入参与湿膜重结晶，实现了更致密、更取向化、更低缺陷的高质量钙钛矿薄膜制备。 
Figure 3 — 结晶动力学与原位追踪揭示梯度面取向（GFO）结构形成 本组图深入解析了GFO结构的动态形成机制：原位PL监测退火过程，将结晶分为三阶段（Stage I：成核与生长、Stage II：微晶重构、Stage III：晶界形成与热淬灭），target膜在Stage I（57 s vs 46 s）和Stage II（28 s vs 21 s）均经历更长的高结晶期且全程PL强度更高，说明QDs使结晶从"爆发生长"转变为更缓慢、更彻底的重排重建；变角掠入射XRD（GIXRD）是关键证据——入射角0.5°对应近表面~30 nm，1.5°穿透全层，结果显示对照组(111)/(001)强度比在表层和体区均随退火时间下降（天然倾向(001)定向），而target膜近表面该比值持续上升、体区反而下降，直接证实"上层(111)主导/下层(001)主导"的梯度面取向结构；进一步通过(012)峰随入射角的峰移计算残余应力，发现对照组存在显著压应力（峰大幅移向高角），target膜峰移幅度大幅收窄，表明GFO结构有效释放/调节了残余应力，进而提升离子迁移激活能、抑制I⁻迁移。机理图景自洽：QDs从上向下渗透→Mg²⁺与(001)面形成强Mg–I键合→选择性钉扎(001)面生长→晶体被迫转向沿(111)方向在顶部外延→最终冻结为纵向梯度取向。 
Figure 4 — 微观结合机制的化学与理论证据（DFT+XPS+Raman） 本组图从原子/分子层面验证了Mg₃Sb₂与钙钛矿的相互作用机制：DFT计算显示Mg₃Sb₂与(001)面的结合能（|Eb,(001)|=9.73 eV）远高于与(111)面的结合能（|Eb,(111)|=0.72 eV），源于(001)面更易形成Mg–I键，从能量上解释了为何QDs会选择性抑制(001)面生长、促进(111)面取向；XPS结果表明target膜中Pb 4f和I 3d峰向低结合能偏移（分别移动0.30 eV和0.42 eV），而Mg 1s和Sb 3d峰向高结合能偏移，归因于Mg²⁺（低电负性）向I–Pb结构供电子，同时Sb³⁻孤对电子与Pb²⁺配位，形成稳定的Mg–I–Pb结构，有效抑制欠配位Pb²⁺缺陷和碘离子迁移，对照组中出现的金属Pb⁰峰（141.4 eV/136.6 eV）在target膜中完全消失；Raman光谱在143 cm⁻¹处出现新峰，对应Mg–I键的拉伸振动模式，且与纯MgI₂样品特征峰吻合，直接证实了Mg–I键的形成。多表征共同支撑：Mg–I键合与Sb–Pb配位是构建GFO结构、调控结晶质量的核心化学驱动力。 
Figure 5 — 梯度面取向生长的机理示意图 本组图为整个工作提供了直观的动态机理总结：在未处理的湿膜退火过程中，钙钛矿因表面能较低天然倾向于沿(001)面生长；而当采用Mg₃Sb₂ QDs/ IPA溶液后处理时，QDs从薄膜表面向下渗透，一方面作为异质成核位点诱导钙钛矿重结晶，另一方面通过Mg²⁺与(001)面形成强Mg–I键选择性抑制其生长，迫使晶体转向沿(111)面优先生长；同时IPA溶剂与Sb元素也辅助促进(111)面取向；最终在湿膜重结晶阶段形成"上(111)主导/下(001)主导"的梯度面取向结构，并同步实现薄膜致密化与缺陷钝化。该示意图将前述所有表征证据串联成一个完整的物理化学过程，清晰阐释了"添加剂–结构–性能"的内在关联。 
Figure 6 — 电荷传输、缺陷态与器件物理特性表征 本组图系统评估了GFO结构对载流子行为的优化作用：飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）显示target膜中激子陷阱捕获寿命（τ₁）从308 ps延长至527 ps，陷阱辅助非辐射复合寿命（τ₂）从13900 ps延长至15520 ps，表明缺陷态减少、非辐射复合被抑制；与空穴传输层（Spiro-OMeTAD）接触的TA动力学显示target膜GSB信号衰减更快（平均寿命从5219 ps降至3557 ps），证实(111)顶层提升了空穴提取效率；空间电荷限制电流（SCLC）测试表明target膜空穴陷阱密度从6.51×10¹⁵ cm⁻³降至4.34×10¹⁵ cm⁻³，电子陷阱密度略有上升（1.55→1.71×10¹⁵ cm⁻³），恰好匹配GFO结构中(111)顶层（高电子陷阱、低空穴陷阱）靠近空穴传输层、(001)底层（低电子陷阱、高空穴陷阱）靠近电子传输层的器件结构需求；电化学阻抗谱（EIS）显示target器件复合电阻（Rrec）增大，瞬态光电压（TPV）衰减时间从0.516 ms延长至1.047 ms，离子迁移激活能从0.129 eV提升至0.147 eV，均证实非辐射复合减少、离子迁移被抑制；紫外光电子能谱（UPS）与吸收谱结合得出target膜带隙从1.55 eV降至1.54 eV，表面功函数从4.37 eV降至4.34 eV，价带顶上移，降低了与Spiro-OMeTAD的能级失配；场效应晶体管（FET）测试显示target膜空穴迁移率提升至0.206 cm²/(V·s)、电子迁移率为0.215 cm²/(V·s)，实现更平衡的载流子传输；Mott-Schottky分析表明内置电势从1.09 V增至1.12 V，增强了电荷分离驱动力；最终电荷收集效率（ηcc）在低偏压下显著高于对照组，全面验证了GFO结构对器件物理性能的协同优化。 
Figure 7 — 光伏性能、稳定性与柔性器件应用 本组图展示了GFO结构在实际器件中的性能突破：刚性n-i-p结构PSCs的最佳效率达25.18%（对照组23.07%），其中短路电流（JSC）25.62 mA/cm²、开路电压（VOC）1.19 V、填充因子（FF）82.82%，迟滞因子从0.060降至0.027；外量子效率（EQE）在全光谱范围提升，短波区（350-500 nm）增强源于(001)底层低电子陷阱与高电子迁移率，长波区增强源于(111)顶层带隙窄化与空穴提取优化，积分电流与J-V测试误差<5%；稳态功率输出（SPO）在最大功率点维持24.95%超过600秒，表现出优异的光稳定性；未封装器件在氮气暗态储存6240小时后保留75%初始效率，连续1-sun光照1000小时后保留75%效率，相对湿度30%-40%环境储存900小时后保留87%效率，远超对照组，归因于(111)顶层优异的疏水性与抗降解能力；柔性器件（PET/ITO基底）最佳效率达24.03%（对照组22.43%），弯曲半径5 mm循环6000次后仍保留82%初始效率（对照组仅68%），得益于GFO结构降低的残余应力提升了机械耐久性。整组图证明该策略兼具高效率、高稳定性与柔性兼容性，为钙钛矿光伏的产业化提供了新思路。 本研究通过Mg₃Sb₂量子点后处理策略，成功构建了具有梯度晶面取向的高质量钙钛矿薄膜，实现了25.18%刚性效率和24.03%柔性效率的钙钛矿太阳电池，并在光、热、湿及机械应力下展现出显著提升的稳定性。这一工作不仅首次将合金量子点应用于晶面取向的精细调控，更为结晶动力学、缺陷钝化、应力释放与离子迁移抑制的协同优化提供了全新范式。展望未来，该GFO策略可进一步拓展至大面积模组、叠层器件及无铅钙钛矿体系，结合量子点的可溶液加工优势，有望推动钙钛矿光伏在效率、稳定性和柔韧性方面实现全面突破，加速其商业化与多元化应用进程。 Li, K., Wang, J., Zhang, C., Zhao, M., Li, S., Miao, Y., Ren, J., & Hao, Y. Gradient Facet Orientation Engineering via Mg₃Sb₂ Quantum Dots for High-Performance and Stable Perovskite Solar Cells.Advanced Energy Materials(2026). https://doi.org/10.1002/aenm.202600000 
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论文概览
技术亮点
梯度晶面取向（GFO）结构：通过Mg₃Sb₂ QDs自上而下梯度分布，实现顶部(111)面富集、底部(001)面富集的纵向非均匀取向，协同利用不同晶面优势。 晶面选择性吸附机制：Mg₃Sb₂ QDs优先吸附于(001)面（结合能9.73 eV vs. (111)面0.72 eV），形成Mg–I键抑制其生长，诱导(111)面择优取向。 缺陷钝化与离子迁移抑制：Mg²⁺强配位钝化碘空位，同时(111)面倾斜晶格提高离子迁移激活能（0.147 eV vs. 0.129 eV），降低非辐射复合。 柔性与机械稳定性：柔性器件效率24.03%，6000次弯曲循环（R=5 mm）后保持82%初始效率，归因于残余应力释放和高质量薄膜。
研究意义
深度精度
结论展望
文献来源
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