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钙钛矿太阳能薄膜的表面陷阱

逐层观察钙钛矿晶粒模型：数出充当复合陷阱的配位不足表面位点，理解钝化为提高电池效率的原因。

目标

估计晶粒表面原子的比例，推理其随粒径的缩放关系——以及为何细晶薄膜损失更多载流子。

仪器与试剂

虚拟显微镜：卤化物钙钛矿薄膜的 320 原子晶粒模型，表面（陷阱）位点以金色标出；三种视图模式。

步骤

查看“全部原子”并旋转：致密晶粒，内部看起来规整。
切换到“仅表面位点”：留下的空心壳层正是 Pb 和 I 悬挂键所在之处。
目测估计表面比例（约一个原子深的壳层），然后比较：10 nm 晶粒与 1 µm 晶粒，哪个单位体积陷阱更多？
选择“晶粒内部”：光生电子与空穴在这里可安全扩散——直到到达晶界或薄膜表面。

观察要点

只有薄薄一层原子配位不足，但正是这层壳承载了陷阱：限制电池的是缺陷而非体相。
内部配位均匀——完美的钙钛矿 $\ce{ABX3}$ 堆叠没有悬挂键。
晶粒越小，金色壳层占体积比越大——陷阱密度与表面积/体积比成正比。

讲解

像 $\ce{MAPbI3}$ 这样的卤化物钙钛矿吸收出色且容忍体相缺陷，但表面是晶格的截断面：配位不足的 $\ce{Pb^{2+}}$ 与卤素空位产生带隙中央能级，光生电子空穴在那里发生非辐射复合。钝化配体（吡啶类路易斯碱、形成二维盖帽的铵盐）修复这些位点；加上更大晶粒与晶向控制，认证效率从约 3 %（2009）提升至 26 % 以上——媲美硅。