鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最關(guān)鍵的2個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是更高的效率，另一個(gè)是更高的穩(wěn)定性。雖然總是這兩個(gè)問(wèn)題，雖然取得了這樣那樣的突破，但新的問(wèn)題總是層出不窮。
2020年9月26日，Science發(fā)表了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提高潮濕環(huán)境穩(wěn)定性的新策略。一周之后，2020年10月2日，鈣鈦礦電池領(lǐng)域的幾位超級(jí)大佬同一天在Science背靠背又發(fā)表了2篇研究論文，都是關(guān)于α-FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，分別針對(duì)鈣鈦礦電池的效率和穩(wěn)定性提出了新的方案。
其中一篇來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel，Anders Hagfeldt，復(fù)旦大學(xué)Lirong Zheng 和Yiqiang Zhan等人，他們基于蒸汽輔助沉積策略，實(shí)現(xiàn)了更高效穩(wěn)定的α-FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。另一篇來(lái)自韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院Sang Il Seok等人，他們從調(diào)控應(yīng)變松弛的角度出發(fā)，使α-FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到25.17％。
1. Science：蒸氣輔助沉積制備高效穩(wěn)定的FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
陽(yáng)離子或鹵化物與FAPbI3（FA為甲脒）的混合物導(dǎo)致鈣鈦礦的高效化太陽(yáng)能電池（PSC），而且還會(huì)因甲基銨（MA）揮發(fā)物的流失而導(dǎo)致藍(lán)移吸收，以及相分離長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。
有鑒于此，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel，Anders Hagfeldt，復(fù)旦大學(xué)Lirong Zheng 和Yiqiang Zhan等人報(bào)道了使用硫氰酸鹽的沉積方法，即MASCN或FASCN氣相處理將黃色的δ-FAPbI3鈣鈦礦薄膜轉(zhuǎn)化為所需的純?chǔ)料唷?/span>
NMR量化了MA進(jìn)入鈣鈦礦骨架的過(guò)程。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，SCN–陰離子在熱力學(xué)相變以下促進(jìn)α-FAPbI3的形成和穩(wěn)定溫度。我們使用這些低缺陷密度的α-FAPbI3膜來(lái)的器件， 效率超過(guò)23％，具有優(yōu)異的長(zhǎng)期運(yùn)行與熱穩(wěn)定性，以及低（330 mV）開(kāi)路電壓損耗和低（0.75V）的電致發(fā)光開(kāi)啟電壓。
2. Science：應(yīng)變松弛調(diào)控α-FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率
高效鹵化鈣鈦礦鉛太陽(yáng)能電池（PSC）已使用α相甲脒碘鉛（FAPbI3）制造用多種陽(yáng)離子穩(wěn)定的碘化物。合金化的陽(yáng)離子極大地影響帶隙，載流子動(dòng)力學(xué)，穩(wěn)定性和晶格應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生有害的載流子捕獲位點(diǎn)。
有鑒于此，韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院Sang Il Seok等人用銫（Cs）和亞甲基二銨（MDA）陽(yáng)離子代替FAPbI3的FA位點(diǎn)。
研究發(fā)現(xiàn)，Cs和MDA兩者的摩爾分?jǐn)?shù)均為0.03 mol，MDA和Cs陽(yáng)離子降低了晶格應(yīng)變，從而延長(zhǎng)了載流子壽命并降低了Urbach能量和缺陷集中。性能最佳的PSC的效率高達(dá)25.17％（經(jīng)認(rèn)證的效率為24.4％）。未封裝的設(shè)備在85°C的暗態(tài)環(huán)境中1300小時(shí)后，其初始效率保持超過(guò) 80％。
3. Science：氟化策略實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池目前商業(yè)化面臨的最大問(wèn)題之一，就是潮濕環(huán)境導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。Spiro-OMeTAD是鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的經(jīng)典款空穴傳輸材料，要保持其高效率運(yùn)行，需要使用一些摻雜劑。不幸的是，這些特殊的摻雜劑往往容易吸潮，從而導(dǎo)致器件穩(wěn)定性降低。
有鑒于此，Changduk Yang、Dong Suk Kim和Sang Kyu Kwak等人發(fā)展了新型的疏水Spiro-OMeTAD氟化空穴傳輸材料，在潮濕環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了24.8%高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
考慮到氟化能使共軛材料具有能級(jí)，疏水性和非共價(jià)相互作用的優(yōu)點(diǎn)，研究人員開(kāi)發(fā)了兩種常規(guī)空穴傳輸材料（HTM）Spiro-OMeTAD的氟化異構(gòu)體，并將其用作PSC中的HTM。合成的Spiro-OMeTAD疏水氟化空穴傳輸材料具有良好的電子態(tài)遷移能力，可用于空穴提取，并用于制造鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池。
實(shí)驗(yàn)表明，所制造的PSC具有高達(dá)24.82％的高效率（經(jīng)證明僅有0.3 V電壓損耗，認(rèn)證效率為24.64％），開(kāi)路電壓接近Shockley-Queisser極限。
值得一提的是，在50％的相對(duì)濕度下，沒(méi)有封裝的鈣鈦礦電池運(yùn)行500小時(shí)后效率保持87％。在大面積電池中，也可以達(dá)到22.31％的效率。
總之，這3項(xiàng)研究，體現(xiàn)了當(dāng)前鈣鈦礦電池領(lǐng)域的新的技術(shù)高度和發(fā)展方向，為鈣鈦礦電池領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路。
參考文獻(xiàn)：
1. H. Lu et al., Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells, Science 370, eabb8985 (2020).
DOI: 10.1126/science.abb8985
https://doi.org/10.1126/science.abb8985
2. Gwisu Kim*, Hanul Min*, K，Impact of strain relaxation on performance of a-formamidinium lead iodide perovskite solar cells，Science, 2020.
https://science.sciencemag.org/content/370/6512/108
