由于其軟晶格特性，鈣鈦礦的光電性質(zhì)對晶格尺寸非常敏感。環(huán)境中的水分與鈣鈦礦相互作用是鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域由來已久的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在鈣鈦礦薄膜的制備、表征和相關(guān)器件制備過程中，常常無意中引入水分子。早先的研究表明，雖然大量水分子會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦的分解，但是，微量水分子的嵌入可引起鈣鈦礦表面晶格的輕微膨脹。鈣鈦礦晶格的輕微膨脹可大大降低其缺陷處載流子的非輻射復(fù)合系數(shù)，從而提高太陽電池性能。然而，這些水分子可以在后續(xù)的加熱或者真空等環(huán)境中脫附，相應(yīng)的晶格膨脹也將隨即消失。到目前為止，對于水分子的去除和晶格膨脹的恢復(fù)將如何影響鈣鈦礦本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及相關(guān)器件的性能，仍然知之甚少。

      本工作系統(tǒng)追蹤了預(yù)吸附有水分子的鈣鈦礦在真空中持續(xù)放置數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)的過程中其結(jié)構(gòu)演化過程。研究結(jié)果表明，有機(jī)-無機(jī)混合鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)變化主要分為兩個(gè)階段：真空首先誘發(fā)水分子的脫附，消除其表面的晶格膨脹；晶格膨脹的消除進(jìn)一步引起帶有正電荷的鹵素間隙缺陷的產(chǎn)生。

圖1. 真空下5h時(shí)鈣鈦礦MAPbBr?的晶格膨脹被消除，進(jìn)一步產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致晶格再次膨脹

      結(jié)合理論計(jì)算和拉曼實(shí)驗(yàn)，研究組提出了鹵素間隙缺陷產(chǎn)生的可能機(jī)制：隨著晶格膨脹的消除，有機(jī)分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)60°中間相的形成，該中間相中，鹵素原子之間的距離縮短，從而導(dǎo)致鹵素分子二聚體的產(chǎn)生。這些鹵素分子二聚體進(jìn)一步和第三個(gè)鹵素離子相互作用產(chǎn)生鹵素三聚體。鈣鈦礦晶格中的鹵素三聚體等效于帶有正電荷的鹵素間隙缺陷。

圖2. 鈣鈦礦MAPbBr?的晶格膨脹被消除時(shí)，有機(jī)分子的旋轉(zhuǎn)和中間相 (“60° 相”)的產(chǎn)生

      該類缺陷作為載流子的非輻射復(fù)合通道，導(dǎo)致了相關(guān)太陽電池器件性能的惡化。這些新發(fā)現(xiàn)表明，無意吸附的水分子或其他因素（如薄膜制備過程引入的張應(yīng)變）所導(dǎo)致的晶格輕微膨脹，竟然對混合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到了不可忽視的作用。因此，該研究不僅有助于理解鈣鈦礦的本征結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)，還對相關(guān)器件的性能和穩(wěn)定性提升提供了深刻的啟發(fā)。

圖3. 水分子的吸附和脫附對鈣鈦礦Cs?.??MA?.?FA?.??PbI?太陽電池性能的影響

      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”為題發(fā)表于期刊Nature Communications。威廉希爾WilliamHill官方網(wǎng)站料學(xué)院碩士研究生路通通為論文第一作者，威廉希爾WilliamHill官方網(wǎng)站料學(xué)院副教授黨志亞、巴斯克大學(xué)助理教授Urko Petralanda、威廉希爾WilliamHill官方網(wǎng)站料學(xué)院教授高平奇為論文的共同通訊作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目和廣東省自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、深圳市穩(wěn)定支持面上項(xiàng)目的支持。原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63693-8