南开大学助力钙钛矿太阳能电池新突破！

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追光者

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种新兴的光电材料，因其高效能和良好的光吸收特性在可再生能源领域受到广泛关注。与传统的硅基太阳能电池相比，钙钛矿材料具有更简单的制备工艺和更低的成本。然而，钙钛矿太阳能电池在长期操作稳定性方面仍存在挑战，尤其是在连续光照和高温环境下，严重限制了其商业应用。

近日，来自南开大学袁明鉴及多伦多大学Edward H. Sargent共同通讯携手在钙钛矿太阳能电池的研究中取得了新进展。他们针对α-FAPbI3钙钛矿材料，设计了一种无甲基铵盐（MACl）添加剂的合成方法，旨在提高电池的稳定性和效率。研究表明，使用小量的铯（Cs+）阳离子替代传统的MACl添加剂，能够有效改善钙钛矿的结晶质量，从而减少热不稳定性。

通过原位的广角X射线散射（GIWAXS）技术，研究团队观察到，钙钛矿薄膜的上层存在铯离子聚集现象，这导致了电池的接触损失和性能下降。进一步的密度泛函理论（DFT）计算揭示，铯离子的积累在电池的载流子传输界面造成了显著的价带偏移（ΔEV），限制了准费米能级分裂（QFLS）。为了解决这一问题，研究团队采用了中间相辅助的结晶路径，通过合理的表面配体协调管理，显著降低了中间相的形成能。

最终，研究团队成功制备了高质量的α-FA0.94Cs0.06PbI3钙钛矿太阳能电池，获得了经认证的稳定功率输出（SPO）效率为25.94%，反向扫描的光电转换效率（PCE）达到了26.64%。重要的是，这些太阳能电池在85°C和相对湿度60 ± 10%的条件下经过2000小时的最大功率点跟踪后，仍保留了约95%的初始性能。

【表征解读】

本文通过氮气手套箱中的Keithley 2400源表对太阳能电池设备进行表征，采用AM 1.5G光照条件，发现了钙钛矿太阳能电池在高温和湿度环境下的性能退化现象，从而揭示了在缺乏MACl添加剂情况下，α-FA1-xCsxPbI3光伏器件的接触损失问题。

针对这一现象，通过原位和外部GIWAXS（广角X射线散射）微观机理表征，得到了钙钛矿薄膜中Cs+的积累和分布信息，进一步挖掘了Cs+对能带结构的影响，特别是在钙钛矿/孔导体层（HTL）界面处造成的价带偏移（ΔEV）。这一偏移显著限制了器件的准费米能级分裂（QFLS），导致了光伏性能的下降。

在此基础上，通过多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、时间分辨光致发光（TRPL）以及密度泛函理论（DFT）计算等，深入研究了不同Cs+含量对α-FA1-xCsxPbI3光伏器件性能的影响。结果表明，通过合理的表面配体协调管理，可以有效降低中间相δ-FA1-xCsxPbI3的形成能，促使钙钛矿薄膜的质量得到提升，并显著减少了接触损失，提高了器件的操作稳定性。

总之，经过系列表征，作者深入分析了α-FA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜中的微观结构变化，进而成功制备出α-FA0.94Cs0.06PbI3新材料，其经认证的稳定功率输出效率达到25.94%，反向扫描PCE为26.64%。这一研究成果不仅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，还为其商业化应用提供了新的技术路径，推动了光伏技术的进步。

【图文解读】

图1：：顶面Cs+积累及其导致的波段失调。

图2. 结晶调控消除Cs+积累。

图3. 薄膜的光电性能和稳定性。

图4: α-FA1-xCsxPbI3 (x = 0.06) psc的器件性能和工作稳定性。

【科学启迪】

尽管α-FAPbI3基钙钛矿的光电转换效率已达到26.7%，但其在长时间照射和高温下的稳定性仍面临挑战。研究表明，传统的MACl添加剂虽然可以改善α-FAPbI3的结晶性，但其残留物会影响设备的长期稳定性。因此，采用Cs+离子替代MACl，形成α-FA1-xCsxPbI3钙钛矿，成为提高设备性能的关键。研究发现，通过优化结晶过程，避免Cs+的积累，可以显著减少接触损失，从而提升光电性能。此外，合理的表面配体协调管理可以有效降低中间相的形成能，使得材料的分布更加均匀。这一发现不仅为钙钛矿太阳能电池的制备提供了新思路，也为其他有机无机混合材料的研究提供了借鉴，强调了材料设计和加工过程对最终性能的重要性。这些研究结果推动了可再生能源领域的进一步发展，具有重要的应用前景。

原文详情：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