Nat. Nanotechnol.評述：錫鈣鈦礦中的膠體化學

與鉛基鈣鈦礦相比，錫基鈣鈦礦在實現單結及多結太陽能電池最高功率轉換效率方面具有關鍵作用，但其實際應用仍面臨重大挑戰。這些挑戰主要源于錫基鈣鈦礦薄膜制備過程中復雜的工藝要求——需要精確控制前驅體墨水的成分、溫度及反應氣氛等多重參數。

近期，Dongxu He等人發表在《自然·納米技術，https://www.nature.com/articles/s41565-025-01905-4》的研究通過調控鈣鈦礦墨水的膠體化學特性，在溶液加工技術上取得重要進展。其制備的錫基鈣鈦礦太陽能電池實現了超過17%的功率轉換效率，創下該領域新里程碑。

鉛基鈣鈦礦的廣泛研究表明：形成貫穿薄膜厚度的單晶大晶粒結構對實現高效率和穩定性至關重要。這一結論具有普適性，因為化學缺陷和電荷陷阱通常集中在晶粒表面，會阻礙電荷的有效提取。晶粒數量增加會導致總表面積擴大，進而加劇缺陷形成。這一現象在錫基鈣鈦礦中尤為突出——錫的氧化和缺陷形成主要發生在晶粒表面。因此，構建晶粒尺寸大且分布均勻的單晶薄膜，降低表面體積比，成為減少缺陷密度的關鍵策略。

賀團隊通過選擇不同維度特性的陽離子（如FA、PEA和Cs），成功調控了前驅體溶液中膠體納米粒子的雙電層組成（圖1a示意）。通過精確優化膠體尺寸，他們實現了成核密度的可控調節，最終在結構規整的鈣鈦礦薄膜中培育出大尺寸晶疇。

Dongxu He等人基于對錫基鈣鈦礦前驅體膠體特性的創新認知，成功攻克了錫基鈣鈦礦結晶動力學的調控難題。該研究創造性地將大尺寸有機陽離子（可有效保護鈣鈦礦表面并產生鈍化效應）與小尺寸陽離子（適配鈣鈦礦晶格結構）相結合，最終在薄膜中構建出二維與三維鈣鈦礦相均勻分布的獨特結構（如圖1b所示）。這種"雙相協同"結構不僅顯著提升了電荷提取效率，更為器件界面層提供了關鍵保護。

通過掃描電鏡可以觀察到，研究團隊成功制備出具有單晶塊體結構的錫基鈣鈦礦薄膜，其厚度突破性地達到500納米——這一指標在保持薄膜均勻性的前提下曾被視為工藝禁區。這種厚度與均質性的雙重突破，對提升器件性能和使用壽命具有決定性意義。

最新數據顯示，錫基鈣鈦礦電池的轉換效率正呈現加速提升態勢。隨著環保需求的日益迫切，未來幾年內光伏行業或將迎來從鉛基到錫基配方的革命性轉變。錫基材料不僅安全性更優，其半導體特性也展現出更廣闊的應用前景。

值得關注的是，雖然賀教授團隊的研究取得重大突破，但錫基鈣鈦礦的長期穩定性仍是待解難題。實驗數據顯示，在持續光照2000小時后會出現約20%的性能衰減，這尚不能滿足商業化要求。已有研究表明，前驅體墨水中二甲基亞砜溶劑的殘留可能是導致性能衰退的關鍵因素。而采用新型替代溶劑則能更有效維持錫的氧化態穩定性——這一發現為開發長效穩定的錫基鈣鈦礦配方指明了新的研究方向。

Abate, A. Colloidal chemistry in tin perovskite. Nat. Nanotechnol. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01959-4

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