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图 a.钙钛矿周期性晶格的终止形成上界面，周期性晶格的开始形成埋底界面；b.暴露原本隐藏埋底界面的实验过程示意图；c-e.基于优异埋底界面的钙钛矿太阳能电池光伏性能
在国家自然科学基金项目（批准号： 52272178）资助下，北京大学物理学院赵清教授团队在钙钛矿太阳能电池研究方面取得进展。相关研究成果以“晶格匹配型电子传输层设计钙钛矿太阳能电池埋底界面（Engineering the buried interface in perovskite solar cells via lattice-matched electron transport layer）”为题，于2023年7月6日发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01247-4。
作为一种清洁能源，太阳能技术的发展有助于降低人类对日益枯竭化石能源的依赖并显著缓解当前紧迫的环境问题。大力推动太阳能技术的进步也将助力我国更好地实现碳中和目标。钙钛矿作为一种新型高效廉价的光伏半导体，具备巨大的产业化应用价值。然而该领域仍然有一些关键科学问题亟需解决。例如，钙钛矿薄膜的缺陷主要分布在界面，优化钙钛矿薄膜界面是提升钙钛矿太阳能电池光伏性能最重要的一步。相比于相对容易实现的薄膜暴露的上界面后处理钝化，关于埋底界面的研究相对较少，在实验上对这个隐藏界面的研究相当挑战，对该界面的认知缺乏已严重制约了钙钛矿太阳能电池的进一步发展。
该团队首先发展了一种普适兼容的物理剥离方法，可以无损暴露大面积埋底界面（图），使原本隐藏的埋底界面可以被进行系列可视化研究，同时，发现下层电子传输层的晶格不匹配导致的无序起始结晶，本征恶化了埋底界面，给电池带来应力，缺陷，孔洞等一系列不利问题。根据这一发现，该团队制备了一种高导电，高透明的氧化物钙钛矿材料SrSnO3作为全新的电子传输层，它具有与其上生长的吸光卤化物钙钛矿很高的晶格匹配度（晶格匹配度高达93.5%），可以提供高度有序的起始结晶，从而从晶体生长的根本角度有效解决了由于起始无序结晶带来的诸多问题。在全新电子传输层上生长的钙钛矿薄膜底部应力被有效去除，埋底界面的结晶性显著提升，缺陷密度显著降低。钙钛矿太阳能电池光电转化效率可达25.17%，工况条件下的使役性能可达1000小时以上。
该工作利用物理表征揭示了晶格匹配问题，从晶体生长的根本视角构建了面向高效钙钛矿光伏的低缺陷密度，无应力，高晶体质量的埋底界面。这加深了领域内对神秘埋底界面的全面深刻认知，揭示了埋底界面有序结晶对钙钛矿太阳能电池的至关重要作用，为构建本征高效和稳定的钙钛矿太阳能电池提供了全新的思路和指导。