解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和主要研究?jī)?nèi)容1. 開發(fā)了全面修復(fù)鈣鈦礦薄膜缺陷的策略，發(fā)現(xiàn)使用有機(jī)胺能夠?qū)㈦s質(zhì)相變成2D鈣鈦礦；2. 研究2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)改善電池效率和穩(wěn)定性的機(jī)理；3. 發(fā)現(xiàn)這種2D鈣鈦礦修復(fù)策略能夠適用于構(gòu)筑大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。繆炎峰，2014年和2019年分別畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位。2019年至2021年，在上海交通大學(xué)進(jìn)行博士后研究。2022年1月至2023年12月，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，助理研究員。2024年1月至今，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，副研究員。歐陽(yáng)楚英，溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院教授，江西師范大學(xué)首席教授，寧德時(shí)代21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，江西省“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)學(xué)科帶頭人，江西省“贛鄱英才 555 工程”領(lǐng)軍人才（2011）。2005年于中國(guó)科學(xué)院物理所獲博士學(xué)位。2005至2008年間于瑞士聯(lián)邦工學(xué)院從事博士后研究。趙一新，國(guó)家杰青，上海交通大學(xué)青年教師聯(lián)誼會(huì)秘書長(zhǎng)，上海交通大學(xué)科研院副院長(zhǎng)。本科碩士畢業(yè)于上海交通大學(xué)，2010畢業(yè)于Case Western Reserve University獲PhD學(xué)位。2010-2013在美國(guó)Penn State University和National Renewable Energy Laboratory進(jìn)行博士后研究。先后獲得國(guó)家青年特聘專家，教育部霍英東青年基金，上海市曙光人才，上海市優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，青山科技獎(jiǎng)，現(xiàn)任中國(guó)化學(xué)會(huì)能源化學(xué)專委會(huì)委員。制約鈣鈦礦光伏器件規(guī)模化發(fā)展的一個(gè)主要原因是器件面積增加導(dǎo)致效率顯著衰減，這個(gè)問(wèn)題通常是因?yàn)椴痪鶆蚍植嫉娜毕菸稽c(diǎn)。FAPbI3窄帶鈣鈦礦具有本征的PbI2缺陷和非鈣鈦礦晶相（δ-FAPbI3），導(dǎo)致非輻射復(fù)合，降低電荷轉(zhuǎn)移和電荷提取。有鑒于此，上海交通大學(xué)趙一新教授、繆炎峰副研究員、上海交通大學(xué)/江西師范大學(xué)/寧德時(shí)代21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室歐陽(yáng)楚英教授等報(bào)道發(fā)展了一種缺陷愈合界面工程策略，解決了面積較小以及大面積模組鈣鈦礦太陽(yáng)能電池存在的問(wèn)題。上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生王海飛、交大與寧德時(shí)代校企聯(lián)培博士生蘇碩劍和陳悅天副教授為該論文的共同第一作者。 在構(gòu)筑2D鈣鈦礦的過(guò)程中，使用功能性2-(1-環(huán)己烯基)乙銨陽(yáng)離子，得到的2D鈣鈦礦具有最高的載流子遷移率，將這種2D鈣鈦礦覆蓋在FAPbI3表面，而且2D鈣鈦礦向下滲入3D鈣鈦礦層的晶界，消除鈣鈦礦的缺陷，提供輸送載流子通道。構(gòu)筑的FAPbI3小面積太陽(yáng)能電池（0.085cm2）實(shí)現(xiàn)了25.86%的效率，填充因子達(dá)到86.16%。構(gòu)筑面積為715.1cm2的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組，實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的22.46%的效率，填充因子達(dá)到81.21%。這種操作簡(jiǎn)單方便的界面缺陷修復(fù)策略表現(xiàn)了非常好的效果，有可能促進(jìn)大面積光伏太陽(yáng)能電池的發(fā)展。
圖1. 2D鈣鈦礦修復(fù)α-FAPbI3鈣鈦礦策略 通過(guò)GIWAXS表征發(fā)現(xiàn)新制的FAPbI3薄膜含有PbI2缺陷和δ-FaPbI3晶相，這些缺陷影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和工作穩(wěn)定性。通過(guò)CHEAI（環(huán)己烯乙胺）處理，對(duì)應(yīng)于雜質(zhì)PbI2和δ-FAPbI3的GIWAXS信號(hào)消失，說(shuō)明CHEAI處理能夠消除這些雜質(zhì)，同時(shí)GIWAXS出現(xiàn)q≈3.7nm-1的新信號(hào)，說(shuō)明消失的雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為低維鈣鈦礦。通過(guò)合成CHEA+的低維鈣鈦礦單晶，進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)形成了層狀2D結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為CHEA2PbI4。而且驗(yàn)證CHEAI處理能夠?qū)㈦s質(zhì)轉(zhuǎn)化為2D結(jié)構(gòu)CHEA2PbI4。另外，CHEA2PbI4比常見的PEA2PbI4或者OA2PbI4具有更高的空穴遷移率，這是因?yàn)镃HEA+陽(yáng)離子處于更高的能量。根據(jù)熒光和量子產(chǎn)率結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)CHEA2PbI4具有更好的光電性質(zhì)。研究結(jié)果說(shuō)明CHEA2PbI4能夠克服載流子傳輸?shù)木窒蓿玫礁咝实?D/3D鈣鈦礦電池。控制實(shí)驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，PEAI或者OAI無(wú)法有效的將雜質(zhì)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定2D鈣鈦礦晶相。2D鈣鈦礦表征。通過(guò)ToF-SIMS表征研究2DCHEA2PbI4的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CHEA+從薄膜的頂部向下部具有梯度分布，因此說(shuō)明CHEA+在晶界含有分布。SEM和AFM成像表征確認(rèn)了CHEA+能夠修復(fù)晶界或者針孔，橫截面HR-STEM成像表征發(fā)現(xiàn)2D CHEA2PbI4不僅覆蓋在α-FAPbI3薄膜表面，而且滲入晶界，因此實(shí)現(xiàn)了全面的雜質(zhì)修復(fù)。GIWAXS測(cè)試驗(yàn)證了2D鈣鈦礦具有面內(nèi)取向以及面外取向，GIWAXS測(cè)試結(jié)果與ToF-SIMS和HR-STEM結(jié)果相符。
圖2. CHEAI/IPA修復(fù)鈣鈦礦薄膜制備了CHEAI/IPA修復(fù)的鈣鈦礦薄膜，隨后通過(guò)熒光成像（PL mapping）表征晶界分布。同時(shí)，還測(cè)試PEAI處理的鈣鈦礦薄膜，比較CHEAI和PEAI對(duì)鈣鈦礦鈍化作用的區(qū)別。CHEAI處理的鈣鈦礦薄膜具有更高的熒光強(qiáng)度，比未處理或者PEAI處理的鈣鈦礦薄膜相比更加均勻。穩(wěn)態(tài)熒光光譜表征（PL）說(shuō)明CHEAI處理的薄膜具有比PEAI處理更強(qiáng)的熒光。通過(guò)Urbach能量（Urbach energy）測(cè)試發(fā)現(xiàn)CHEAI處理的鈣鈦礦薄膜的Urbach能量（Eu）（48meV）比沒有處理薄膜（65 meV）或者PEAI處理薄膜（56meV）更低，說(shuō)明CHEAI處理的薄膜的能量無(wú)序性減少。通過(guò)空間電荷限制電流（SCLC，space-charge-limited-current）說(shuō)明CHEAI處理的薄膜具有更低的缺陷濃度（2.17×1015cm-3），未處理的薄膜缺陷濃度（4.56×1015cm-3）和PEAI處理的薄膜缺陷濃度（3.90×1015cm-3）都更高。時(shí)間分辨熒光光譜表征說(shuō)明平均淬滅時(shí)間達(dá)到903 ns，比未處理薄膜的淬滅時(shí)間更久（119ns），比PEAI處理薄膜的淬滅時(shí)間更久（778ns）。淬滅時(shí)間更久說(shuō)明，CHEAI處理能夠降低載流子的非輻射復(fù)合，而且能夠改善鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性。PEAI處理的薄膜能夠在濕度60 %和20 ℃大氣氣氛中保存25天，對(duì)比的未曾處理薄膜只能保存15天，PEAI處理薄膜能夠保存25天。 載流子輸送性能。構(gòu)筑FTO/TiO2/SnO2/perovskite/Spiro-OMeTAD結(jié)構(gòu)的“準(zhǔn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”器件，導(dǎo)電性AFM測(cè)試結(jié)果說(shuō)明處理后的鈣鈦礦薄膜具有更高的電流和更加均勻的電流分布，說(shuō)明電荷抽取更好，這對(duì)于大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和提高填充因子非常重要。作者進(jìn)一步計(jì)算電荷抽取壽命，發(fā)現(xiàn)具有更陡峭和更高的平臺(tái)，驗(yàn)證CHEAI處理的鈣鈦礦薄膜實(shí)現(xiàn)了更有效的載流子遷移速度和抽取。通過(guò)UPS測(cè)試能級(jí)結(jié)構(gòu)，與比未處理鈣鈦礦薄膜或者PEAI、OAI處理薄膜相比，CHEAI處理薄膜具有更高的價(jià)帶能級(jí)位置。電池效率測(cè)試。CHEAI處理的鈣鈦礦電池器件最高的效率達(dá)到25.86%，填充因子和開路電壓都得到增強(qiáng)，填充因子達(dá)到86.16%，開路電壓達(dá)到1.16V。填充因子改善是CHEAI處理能夠降低非輻射復(fù)合損失，降低電荷輸運(yùn)過(guò)程的損失。穩(wěn)定性測(cè)試。濕熱穩(wěn)定性測(cè)試（Damp-heat stability test）。在85℃和85%濕度測(cè)試鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性，500 h后器件的性能能夠維持~80%，沒有處理的器件性能降至~49%。在最高功率點(diǎn)（MPP, maximum power point）測(cè)試，發(fā)現(xiàn)1500h連續(xù)測(cè)試后，性能仍高達(dá)~92%，未處理鈣鈦礦電池器件的性能降至~76%。穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果說(shuō)明2D鈣鈦礦能夠改善鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。大面積電池性能測(cè)試。制備了面積30×30cm2的模組（面積達(dá)到715.1cm2），電池性能達(dá)到22.80%，填充因子達(dá)到82.68%，電池的認(rèn)證效率達(dá)到22.46%，說(shuō)明CHEAI在大面積鈣鈦礦電池中的應(yīng)用前景。而且通過(guò)存儲(chǔ)穩(wěn)定性測(cè)試（ISOS-D-1I）、未封裝電池的熱穩(wěn)定性測(cè)試（ISOS-D2I）、濕度穩(wěn)定性測(cè)試（ISOS-D-2），都說(shuō)明CHEAI處理能夠改善電池的穩(wěn)定性。Wang, H., Su, S., Chen, Y. et al. Impurity-healing interface engineering for efficient perovskite submodules. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08073-whttps://www.nature.com/articles/s41586-024-08073-w
