研究背景
鈣鈦礦材料因其在光伏、發(fā)光二極管、激光器等領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，成為近年來(lái)材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別是基于FAPbI3的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs），由于其高光電轉(zhuǎn)換效率和較低的制造成本，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能技術(shù)。
然而，F(xiàn)APbI3鈣鈦礦在制備過(guò)程中容易出現(xiàn)晶粒尺寸小、孔隙率高以及相不穩(wěn)定等問(wèn)題，特別是在低溫退火時(shí)，常常會(huì)形成非光伏活性的δ相，而不是所需的光伏活性的α相。這些問(wèn)題制約了FAPbI3基太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步提升。
與傳統(tǒng)的鈣鈦礦材料相比，F(xiàn)APbI3鈣鈦礦材料在性能上具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，但它的穩(wěn)定性和結(jié)晶質(zhì)量問(wèn)題仍是制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。因此，如何優(yōu)化FAPbI?薄膜的結(jié)晶性和改善其穩(wěn)定性，成為了當(dāng)前研究的核心挑戰(zhàn)。
在此，美國(guó)托萊多大學(xué)付圣、鄢炎發(fā)，美國(guó)西北大學(xué)Edward H. Sargent院士合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“On-demand formation of Lewis bases for efficient and stable perovskite solar cells”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的按需生成路易斯堿分子的策略，通過(guò)引入含路易斯酸的有機(jī)鹽，利用其在需要時(shí)去質(zhì)子化生成路易斯堿分子，并在作用完成后通過(guò)再質(zhì)子化迅速轉(zhuǎn)化為鹽類，從而避免了路易斯堿分子在整個(gè)過(guò)程中對(duì)結(jié)晶的干擾。
該方法在FAPbI3鈣鈦礦薄膜的制備過(guò)程中，顯著提高了α相的結(jié)晶質(zhì)量。通過(guò)按需生成路易斯堿分子，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了A位陽(yáng)離子垂直均勻分布、較大的晶粒尺寸以及較少的埋藏界面孔隙，從而提高了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。采用這種策略的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了26.1%的效率，并在85?°C下最大功率點(diǎn)跟蹤條件下運(yùn)行1000小時(shí)后，保持了96%的初始效率。此外，該方法在1.2?cm2器件和11.52?cm2微型組件中的應(yīng)用也獲得了24.41%和21.47%的效率，展現(xiàn)出極好的可擴(kuò)展性。
這項(xiàng)研究通過(guò)優(yōu)化FAPbI3鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦材料在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中面臨的矛盾問(wèn)題，為提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性提供了新的技術(shù)路徑。
研究亮點(diǎn)
1.實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)采用半羧肼鹽酸鹽（SECl）作為添加劑，該策略在需要時(shí)通過(guò)去質(zhì)子化生成路易斯堿分子，促進(jìn)FAPbI?鈣鈦礦薄膜中的α相結(jié)晶。SE分子在完成作用后被快速去除，從而提高了薄膜的均勻性和結(jié)晶質(zhì)量。
2.實(shí)驗(yàn)通過(guò)SE分子按需生成策略，有效提高了薄膜的A位陽(yáng)離子垂直分布、晶粒尺寸及界面孔隙減少，顯著改善了光伏性能。
按需生成的SE分子促進(jìn)了A位陽(yáng)離子的垂直均勻分布，使得薄膜中晶粒變大，界面孔隙減少，從而提高了光伏性能。最終，使用該方法的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了26.12%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得了25.33% NREL認(rèn)證的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)效率。
3.實(shí)驗(yàn)通過(guò)SE分子的按需生成提升了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
經(jīng)測(cè)試，該電池在85°C下進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）1000小時(shí)后，仍保持了96%的初始效率，證明了該策略在提高器件穩(wěn)定性方面的有效性。
4.實(shí)驗(yàn)通過(guò)該策略在大面積微型組件上實(shí)現(xiàn)了較高的效率，在1.2 cm2的器件中，采用該策略的太陽(yáng)能電池達(dá)到了24.41%的效率，而在11.52 cm2光圈面積的微型組件中，效率達(dá)到了21.47%，展示了該方法在大面積光伏組件中的應(yīng)用潛力。
圖文解讀
圖1：按需生成SE分子對(duì)FAPbI3鈣鈦礦薄膜形成的影響。
圖2：按需生成SE分子對(duì)含銫（Cs）和銣（Rb）鈣鈦礦薄膜結(jié)晶的影響。
圖3：A位陽(yáng)離子的垂直分布與薄膜穩(wěn)定性。
圖4：按需生成SE分子對(duì)器件性能的影響。
結(jié)論展望
本文針對(duì)FAPbI3鈣鈦礦的相轉(zhuǎn)變問(wèn)題，提出了按需生成路易斯堿分子的策略。這一策略通過(guò)去質(zhì)子化和再質(zhì)子化過(guò)程，精確控制路易斯堿分子的生成和去除，有效促進(jìn)了α相的結(jié)晶，避免了傳統(tǒng)方法中δ相的優(yōu)先生成。此方法不僅解決了鈣鈦礦薄膜中A位陽(yáng)離子分布不均的問(wèn)題，還促進(jìn)了晶粒尺寸的增大，從而提高了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
此外，研究還表明，Rb離子的擴(kuò)散和RbPbI3的形成在提高薄膜質(zhì)量和光電性能方面具有重要作用。通過(guò)優(yōu)化薄膜中的陽(yáng)離子分布和晶粒結(jié)構(gòu)，可以顯著增強(qiáng)光伏器件的性能和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。這為今后高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制造提供了新的思路，并展示了路易斯堿分子調(diào)控在鈣鈦礦光伏材料中的潛力，推動(dòng)了這一領(lǐng)域向更高效、更穩(wěn)定的方向發(fā)展。
原文詳情：
Fu, S., Sun, N., Chen, H. et al. On-demand formation of Lewis bases for efficient and stable perovskite solar cells. Nat. Nanotechnol. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01900-9
