研究背景
隨著可再生能源的需求日益增加，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效能和低成本而引起了廣泛關注。近年來，α-FA1-xCsxPbI3作為一種新興的吸收材料，被認為是實現高效且穩定PSCs的關鍵。然而，現有的α-FA1-xCsxPbI3 PSCs在實現最佳功率轉化效率（PCE）的過程中，通常需要添加氯化甲基銨（MACl），這種添加劑雖然能提高效率，但卻會在高溫下釋放揮發性有機殘留物，導致設備的長期穩定性受到威脅。當前，未添加MACl的α-FA1-xCsxPbI3 PSCs的最高PCE僅約為24%，并且缺乏穩定性優勢。因此，如何在不使用MACl的情況下提升α-FA1-xCsxPbI3 PSCs的效率和穩定性成為了研究的熱點。為此，研究者們探討了Cs+的積累對界面接觸損失的影響，認為這一問題顯著降低了設備的性能與穩定性。為了解決這些問題，南開大學袁明鑒及多倫多大學Edward H. Sargent共同通訊攜手在“Nature”期刊上發表了題為“High-efficiency and thermally stable FACsPbI3 perovskite photovoltaics”的最新論文。本研究通過原位GIWAXS分析和密度泛函理論（DFT）計算，提出了一種普適性的結晶路徑調控轉換策略，利用醋酸鹽表面配位來制備高質量的α-FA1-xCsxPbI3薄膜，從而避免了MA添加劑的使用。通過這一方法，作者成功地提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率，認證穩定功率輸出（SPO）效率達到了25.94%，反向掃描的PCE為26.64%。更重要的是，這些設備在1個陽光照射、85°C和60%相對濕度下運行超過2,000小時后，仍保持超過95%的初始PCE。
研究亮點
1. 實驗首次提出結晶路徑調控轉換策略，實現了無MA添加劑的高質量α-FA1-xCsxPbI3薄膜的制備，解決了傳統方法中Cs+積累導致的界面接觸損失問題。2. 通過原位GIWAXS分析與密度泛函理論（DFT）計算，發現了中間相輔助結晶路徑的形成機制，為提升鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的性能提供了新的思路。3. 制備的α-FA1-xCsxPbI3 PSCs在未經MACl添加劑的情況下，獲得了認證穩定功率輸出（SPO）效率為25.94%，反向掃描功率轉化效率（PCE）達到26.64%。4. 經過超過2,000小時的最大功率點（MPP）跟蹤測試，設備在85°C和60%相對濕度條件下，仍能保持超過95%的初始PCE，展現出優異的操作穩定性。
圖文解讀
本文通過在氮氣手套箱中使用Keithley2400源表和AM1.5G光照條件下的J-V曲線測試，揭示了鈣鈦礦太陽能電池（PSC）在最大功率點（MPP）下的性能穩定性。針對α-FA1-xCsxPbI3鈣鈦礦中Cs+積累的現象，采用了原位廣角X射線散射（GIWAXS）技術進行微觀機理表征，得到了Cs+在薄膜頂部區域的顯著聚集情況，進而挖掘了其對器件性能的影響，特別是對接觸損失的限制作用。在此基礎上，采用多種表征手段，包括掃描電子顯微鏡（SEM）、時間分辨光致發光（TRPL）和X射線光電子能譜（XPS），詳細分析了鈣鈦礦薄膜的表面形貌、光學特性及元素組成。這些研究結果表明，Cs+的均勻分布能夠有效降低鈣鈦礦薄膜的缺陷，提升器件的光電轉換效率和穩定性，著重研究了材料的長效性和實際應用潛力。本文經過系統表征，深入分析了α-FA1-xCsxPbI3鈣鈦礦的微觀結構和性能關系，最終成功制備出具有高效率和良好穩定性的鈣鈦礦新材料（α-FA0.94Cs0.06PbI3）。這些研究為鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用奠定了基礎，推動了高效太陽能轉換技術的進步。通過優化材料的組分和結構，未來有望實現更高的功率轉換效率和長期穩定性，從而進一步推動可再生能源的發展。 圖4: α-FA1-xCsxPbI3 (x = 0.06) psc的器件性能和工作穩定性。
總結展望
本文的研究揭示了在無MACl添加劑條件下，α-FA1-xCsxPbI3鈣鈦礦太陽能電池中出現的顯著接觸損失問題。這一現象源于活性層與孔傳輸層（HTL）之間的界面，主要由于Cs+的積累引起的能帶結構變化。通過密度泛函理論（DFT）計算，研究者發現Cs+的積累導致了顯著的價帶偏移，限制了設備的準費米能級分裂，從而影響了電池性能。此外，研究表明，通過引入醋酸根離子，可以有效降低中間相δ-FA1-xCsxPbI3的形成能，促進均勻的Cs+分布。這一發現為鈣鈦礦太陽能電池的性能提升提供了新的思路，尤其是在提高長期穩定性方面。最終，該研究不僅實現了α-FA0.94Cs0.06PbI3太陽能電池的高效率（25.94%），而且在85°C和60%相對濕度下保持了良好的操作穩定性，展示了鈣鈦礦材料在光伏應用中的巨大潛力。這一研究成果為未來開發高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池奠定了基礎。 Li, S., Jiang, Y., Xu, J. et al. High-efficiency and thermally stable FACsPbI3 perovskite photovoltaics. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08103-7
