来自北京理工大学的朱城副研究员和陈棋教授等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Topochemical Assembly Minimizes Lattice Heterogeneity in Polycrystalline Halide Perovskites”的文章，系统研究了从碘化铅母相到卤素钙钛矿子相的拓扑化学组装过程，揭示了碘化铅(001)晶面沿钙钛矿(111)晶面以及MA2(DMF)2Pb3I8中间相的(120)沿钙钛矿的(111)晶面的共格惯习组装过程，并揭示了两条生长路径中不同的共格界面组合对钙钛矿薄膜取向的调控作用。
据此成功地制备了具有最小的点阵异质性、微结构缺陷和电子无序的具有优良(001)择优取向的钙钛矿薄膜，并基于此制作了具有高达24.5%的认证光电转化效率太阳能电池。同时拥有均质钙钛矿薄膜的电池具备极佳的光热稳定性，按照IEC61215标准子条例通过了第三方认证的光致衰减测试(LID)，在500小时AM 1.5 G辐照后保持了95%以上的初始效率。该工作为理解和控制卤素钙钛矿晶体的合成提供了新的视角，并为制备类单晶质量的多晶薄膜提供了一种简单有效的方法。
卤素钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率和低成本的优势，但其稳定性仍然是制约其商业化应用的关键问题。多晶卤素钙钛矿薄膜是目前最常用的光吸收层材料，但其稳定性受到多尺度异质性的影响，包括晶格结构、成分分布和缺陷行为等。这些异质性会导致材料的本征稳定性降低和器件寿命缩短。因此，如何实现性能接近单晶质量的均匀多晶薄膜是提高钙钛矿太阳能电池稳定性的重要途径之一。
钙钛矿薄膜的生长过程涉及有机/无机组分在溶液-固体界面上的分子组装行为，这一行为决定了薄膜的取向、结构和缺陷等特征。然而，目前对钙钛矿薄膜生长机制的理解还不完善，尤其是对钙钛矿结晶中固-固转变中发生的拓扑化学组装过程，即沿相干界面发生的晶体结构转变上仍缺乏系统的研究工作。
要点一：钙钛矿从PbI2母相生长的结构转变属于拓扑化学组装过程，钙钛矿沿PbI2 (001)与钙钛矿(111)的共格界面惯习生长形成
作者揭示了钙钛矿薄膜的生长机制属于拓扑化学反应，即钙钛矿子相是沿着与PbI2母相一致的晶面方向生长的。作者发现，PbI2母体的(001)晶面与钙钛矿的(111)晶面具有良好的晶格匹配，形成了一种共格界面，揭示了PbI2 (001)晶面到钙钛矿(111)晶面的拓扑转变路径，并导致了钙钛矿薄膜的(001)-(111)混合取向。作者利用GIWAXS、TEM和XRD等技术证明了这种拓扑化学反应的过程。作者认为，这种拓扑化学路径是由PbI2的(001)晶面决定的，是一种常见的固-固相变机制。
作者进一步发现，通过引入中间相MA2(DMF)2Pb3I8，可以改变钙钛矿的生长路径，使其沿着另一种共格界面组装生长，即中间相MA2(DMF)2Pb3I8 (120)晶面到钙钛矿(001)晶面的惯习组合，生长出(001)择优取向的钙钛矿薄膜。作者利用三元强度图表明了溶剂、添加剂和退火温度对钙钛矿晶体取向的影响，并利用时间分辨GIWAXS观察了中间相的形成和转变过程。作者发现，中间相的(120)晶面与PbI2的(001)晶面具有较好的晶格匹配，从而促进了中间相的生长。作者认为，这种拓扑化学路径是由中间相的(120)晶面主导的，是钙钛矿结晶过程中另一种重要的结构转变机制。
作者比较了具有(001)-(111)混合取向和(001)择优取向的钙钛矿薄膜的结构和光电性能。通过XRD表征手段，作者发现(001)择优取向的钙钛矿薄膜具有更高的晶体质量、更低的微应变、更均匀的化学成分分布和更少的缺陷。通过PLQE、TRPL、PL mapping、XPS和KPFM等测试，作者发现(001)择优取向的钙钛矿薄膜具有更高的光致发光效率、更长的载流子寿命、更均匀的载流子分布和更佳的界面特性。这些结果表明，均匀化的(001)择优取向的钙钛矿薄膜具有更好的光电性能和稳定性。
作者基于(001)-(111)混合取向和(001)择优取向的钙钛矿薄膜制备了n-i-p和p-i-n两种结构的太阳能电池器件，并评估了它们的效率和稳定性。作者发现(001)择优取向的钙钛矿器件具有更高的开路电压、短路电流和填充因子，从而实现了更高的光电转换效率。在n-i-p结构中，(001)择优取向的钙钛矿器件达到了24.5%的认证效率。此外，(001)择优取向的钙钛矿器件也表现出了更好的稳定性，在光热老化、热老化和最大功率点跟踪等条件下，(001)择优取向的钙钛矿器件保持了更高的初始效率，显示出更长的运行寿命。其n-i-p器件在光热老化条件下1500小时后保持了97%的最高效率，并且在最大功率点跟踪条件下2500小时后保持了99%的初始效率。其p-i-n器件在2000小时后保持了98%的初始效率；在热老化条件下1230小时后保持了87%的最高效率。此外，作者还进行了光致衰减（LID）测试，并由第三方机构认证了(001)择优取向的p-i-n器件在500小时后保持了95%以上的初始效率，符合IEC61215标准协议。这些结果证明，通过拓扑化学机制调控晶体取向，可以有效提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。
陈棋，现北京理工大学前沿交叉科学研究院教授/院长，博导。本科与硕士毕业于清华大学，博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校（UCLA），加州大学洛杉矶分校纳米研究中心博士后。入选人才计划，获北京市自然科学基金杰出青年基金资助。主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、储能电池、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件。特别是围绕有机/无机杂化的钙钛矿太阳能电池，在吸光层材料溶液生长制备、新型低维发光钙钛矿材料设计合成、新型封装材料和工艺开发、多层薄膜应力-应变调控、界面修饰改性等方面开展了系统性的研究工作，积累了丰富的关于钙钛矿材料的合成，性质表征及优化方面的经验。迄今以一作/通讯作者发在Science, J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. ed., Adv. Mater., 等权威期刊发表SCI论文100余篇，H-Index 65，总引用超过30000次，多年入选“科睿唯安全球高被引科学家”。
朱城，北京理工大学前沿交叉科学研究院助理教授，硕士生导师，博士毕业于北京理工大学材料学院，博士期间获北京理工大学最高荣誉奖学金——徐特立奖学金。主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿半导体材料和复合功能薄膜的开发，可用于制备薄膜太阳能电池、柔性可穿戴光伏器件、高能辐照探测器等多类新型光电半导体器件。研究人基于同步辐射X射线技术，围绕钙钛矿材料微结构与光电响应多层次构效关系，探索多场耦合环境下材料退化机制与光伏器件失效分析，开发了材料取向演化、应力-应变调控及界面修饰等策略系统优化载流子动力学行为与器件稳定性，相关研究成果已发表学术论文40余篇，以第一/通讯作者（含共）在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letter、Joule、ACS Nano等杂志中发表SCI论文10余篇，论文总引用超2500次。在中国卓越行动计划高起点期刊Exploration担任青年编委，在SCI收录期刊Materials担任客座编辑，担任国际著名期刊Nature、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters等独立审稿人。
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