Controlled Crystallization of Lead-Free Cs3Bi2I9 Perovskite Nanocrystals via Continuous- Flow Ligand-Assisted Re-precipitation
本研究展示了通过连续流配体辅助再沉淀法对无铅 Cs3Bi2I9 钙钛矿纳米晶进行受控合成，所得薄膜带隙为 1.8 eV，且光伏器件实现了 0.5% 的光电转换效率。
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太阳能技术长期以来一直依赖于一类被称为钙钛矿的材料，这种晶体能够捕捉阳光并以卓越的效率将其转化为电能。这些材料的传统版本通常含有铅，这是一种会对环境和健康构成风险的有毒金属，限制了它们的广泛应用。科学家们一直在寻找一种既能保持高性能又能消除危险的安全替代品。一个极具前景的候选材料是由铋（一种常见于化妆品到灭火器等各种物品中的金属）与碘和铯组成的化合物。这种被称为 Cs3Bi2I9 的无铅材料性质稳定且无毒，但很难以生产出适用于太阳能电池的高质量薄膜的方式进行制造。挑战在于如何控制这些微小晶体的形成；如果它们生长得太快或不均匀，生成的太阳能电池就无法有效地传输电能。
马来西亚太阳能研究中心的科研人员致力于通过改变成分混合方式来解决这一制造难题。他们没有使用标准的烧杯进行化学混合并让其静置，而是使用了一个连续流反应器——这是一个将液体前驱体推入狭窄通道，使其在精确条件下进行混合和反应的系统。团队专注于一个单一变量：混合物在通道内停留的时间，即称为停留时间。他们测试了三种不同的持续时间，以观察反应时长如何影响最终的晶体。通过调整这一时间，他们的目标是引导晶体生长得更大、更均匀，且内部缺陷更少，而这些特性对于捕捉光线和传输电荷至关重要。
结果表明，时间确实是关键因素。当混合物在反应器中仅流动二十秒时，生成的晶体细小、不规则且聚集在一起。这些较短的反应时间未能给原子足够的机会自行排列成有序结构。随着研究人员将时间增加到四十秒，晶体开始改善，变得更加均匀。然而，最好的结果出现在混合物流动六十秒的时候。在此持续时间内，晶体生长成了定义明确的片状结构，与较短时间内制造的晶体相比，其尺寸显著增大且排列更为完美。团队通过在强力显微镜下观察材料并使用 X 射线衍射技术（一种可以揭示晶体内部有序性的技术）证实了这一点。六十秒样本显示出最高的结构有序度，缺陷较少，不易捕获或损失电能。
这种结构的改善直接转化为了该材料在制成太阳能电池后的性能提升。研究人员利用这些晶体制造了小型器件，将它们夹在其他材料层之间，以创建电流流动的路径。由六十秒晶体制造的电池表现最好，产生了 0.73 伏的电压和 5.9 × 10⁻² mA cm⁻² 的电流密度。虽然将阳光转化为电能的整体效率仅为 0.50%，但这比使用较快的二十秒工艺制造的电池有了显著提高，后者在电压增加时电流密度迅速下降。这种行为反映了由于结晶不足和高缺陷密度导致的电荷传输能力差和高复合损失。六十秒的器件还显示出更高的填充因子（衡量电池有效输出功率的指标），达到了 77.6%。这表明缓慢且受控的生长过程使材料能够形成高质量的薄膜，从而更顺畅地传输电能。
研究还观察了这些新晶体在热量下的稳定性。通过热分析，研究人员发现该材料在约 450 摄氏度之前保持稳定，之后才会开始分解。这种高热稳定性相比于在较低温度下就会降解的其他类型太阳能材料是一个重大优势，表明这些基于铋的晶体可以承受正常运行或制造过程中产生的热量。团队得出结论，控制化学物质在流式反应器中反应的时间是调节无铅太阳能材料质量的一种强有力的方法。虽然目前的效率数值尚不足以为家庭供电，但这项工作展示了一条清晰的前进路径：通过将过程适度放慢，科学家可以引导这些安全的无铅晶体形成下一代太阳能所需的优质结构。
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