編輯總結(jié)
基于黑相甲酰胺碘化鉛（α-FAPbI3）的鈣鈦礦是光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的理想的晶體，但水能引發(fā)光活性雜質(zhì)相（如δ-FAPbI3）的形成。本研究展示了較大的氯化有機(jī)分子可以形成疏水性覆蓋層，使鈣鈦礦在潮濕條件下結(jié)晶，同時(shí)保護(hù)生長(zhǎng)中的晶體不受水分影響。具體而言，在20%到60%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)制造的太陽(yáng)能電池，在80%相對(duì)濕度下實(shí)現(xiàn)了23.4%的光電轉(zhuǎn)換效率。未封裝的器件在最大功率操作下，在潮濕空氣中經(jīng)過(guò)500小時(shí)照射后仍保留了96%的初始性能。——Phil Szuromi。
研究背景
隨著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）研究的不斷深入，黑相甲胺基鉛碘（α-FAPbI3）鈣鈦礦因其1.5 eV的最佳帶隙和高達(dá)26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）而引起了廣泛關(guān)注。然而，α-FAPbI3在環(huán)境濕度較高時(shí)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性問(wèn)題仍然是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)的溶液處理方法中使用的共溶劑體系（如DMF-DMSO）雖然能夠促進(jìn)高質(zhì)量α-FAPbI3薄膜的形成，但在相對(duì)濕度（RH）超過(guò)60%時(shí)，這一體系的可重復(fù)性受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，二甲基亞砜（DMSO）的吸濕性會(huì)促進(jìn)中間復(fù)合物中的水分吸收，從而在潮濕空氣中促使δ-FAPbI3雜質(zhì)相的形成，導(dǎo)致光伏性能顯著下降。α-FAPbI3鈣鈦礦的形成過(guò)程依賴于溶劑工程，通過(guò)揮發(fā)性溶劑（如DMF和乙腈）與高沸點(diǎn)溶劑（如DMSO和NMP）的組合，非揮發(fā)性溶劑分子可以與碘化鉛（PbI2）形成關(guān)鍵的中間復(fù)合物，如DMSO-PbI2和NMP-PbI2-FAI（甲胺基碘化物），這些復(fù)合物通過(guò)路易斯酸堿相互作用，促進(jìn)有序和均勻的結(jié)晶，從而有助于直接轉(zhuǎn)化為α-FAPbI3。然而，這一過(guò)程通常需要在惰性氣體或干燥空氣環(huán)境中進(jìn)行，以嚴(yán)格控制相對(duì)濕度，從而確保鈣鈦礦薄膜的高質(zhì)量和高性能。在高濕度環(huán)境條件下（RH >60%），未密封的α-FAPbI3 PSCs的可重復(fù)性和穩(wěn)定性仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。 針對(duì)這一問(wèn)題，北京大學(xué)肖立新教授，曲波副教授，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel教授和魏明楊博士等人合作在“Science”期刊上發(fā)表了題為“A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI3 perovskite in humid air”的最新文章。他們提出了一種創(chuàng)新的晶體覆蓋層（CL）策略，利用氯化p自由基形成覆蓋層，該層具有疏水和均勻特性，能夠最大限度地減少水分滲透，同時(shí)保留中間薄膜中的DMSO-PbI2復(fù)合物。這種方法在相對(duì)濕度高達(dá)80%時(shí)仍能保持良好的光電轉(zhuǎn)換效率（23.5%），并且在20%到60% RH范圍內(nèi)，PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)24.5%。此外，未封裝的器件在環(huán)境條件下（RH為40%到60%）最大功率下運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出500小時(shí)的操作穩(wěn)定性。本研究不僅解決了高濕度環(huán)境下α-FAPbI3鈣鈦礦形成的可重復(fù)性和穩(wěn)定性問(wèn)題，還為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路和方法。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次引入氯化有機(jī)分子覆蓋層實(shí)驗(yàn)首次在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）制備過(guò)程中引入氯化有機(jī)分子形成的覆蓋層（CL），旨在解決濕度對(duì)黑相甲胺基鉛碘（α-FAPbI3）鈣鈦礦形成的影響。通過(guò)這種方法，有效地阻擋了水分滲透，防止了光無(wú)活性δ-FAPbI3雜質(zhì)相的形成，從而顯著提高了在高濕度環(huán)境下的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。2. 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析
- 溶劑系統(tǒng)的優(yōu)化：傳統(tǒng)的DMF-DMSO共溶劑體系在高濕度條件下面臨再現(xiàn)性問(wèn)題。通過(guò)引入氯化有機(jī)分子覆蓋層，實(shí)驗(yàn)保留了DMSO-PbI2復(fù)合物對(duì)晶體生長(zhǎng)的調(diào)控作用，同時(shí)減少了水分對(duì)中間復(fù)合物的侵入。
- 性能提升：實(shí)驗(yàn)在相對(duì)濕度（RH）為20%到60%的范圍內(nèi)制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）達(dá)到了超過(guò)24.5%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），在RH為80%的條件下達(dá)到了23.5%。這些結(jié)果表明，在各種濕度條件下，PSCs性能穩(wěn)定且高效。
- 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性：在未封裝的條件下，器件在環(huán)境RH為40%到60%的情況下進(jìn)行500小時(shí)最大功率點(diǎn)運(yùn)行，保持了96%的初始性能，展示了出色的長(zhǎng)時(shí)間操作穩(wěn)定性。
圖文解讀
圖1：中間薄膜在潮濕空氣中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化。 圖3：兩步法工藝中的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。圖5：使用CL策略的PSC性能、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。
總結(jié)展望
本研究揭示了在高濕度環(huán)境中制備高性能α-FAPbI3鈣鈦礦的重要性，強(qiáng)調(diào)了選擇合適的溶劑體系及其對(duì)晶體生長(zhǎng)和器件性能的深遠(yuǎn)影響。傳統(tǒng)的DMF-DMSO共溶劑體系在濕度超過(guò)60%時(shí)面臨可重復(fù)性挑戰(zhàn)，而通過(guò)引入氯化有機(jī)分子作為覆蓋層，有效地解決了水分滲透的問(wèn)題。這一策略不僅保持了DMSO-PbI2復(fù)合物的穩(wěn)定性，還促進(jìn)了晶體的有序生長(zhǎng)。本研究強(qiáng)調(diào)了材料表面狀態(tài)對(duì)水分吸附的影響，揭示了表面空位在鈣鈦礦水合過(guò)程中的關(guān)鍵作用。這為進(jìn)一步優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)和提高環(huán)境穩(wěn)定性提供了新的思路。通過(guò)調(diào)控水分滲透與晶體生長(zhǎng)之間的平衡，實(shí)現(xiàn)了在廣泛濕度條件下的高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，為實(shí)際應(yīng)用提供了可行的解決方案。 Liang Shu?, Xiaoming Shi, Xin Zhang, Ziqi Yang, Wei Li, Yunpeng Ma, Yi-Xuan Liu, Lisha Liu, Yue-Yu-Shan Cheng, Liyu Wei, Qian Li, Houbing Huang, Shujun Zhang, Jing-Feng Li,?Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721
