Nature&Science：黄维、杨阳、Edward H. Sargent等大牛在钙钛矿太阳能电池/LED的突破性进展

钙钛矿太阳能电池是一种由有机材料和无机材料组合成的一种新型太阳能电池，和单晶硅／多晶硅／薄膜太阳能电池一样，都是将太阳能转化为电能的装置。2009年，日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高3.8%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点。此后，钙钛矿太阳能电池的结构设计和配套材料等持续进步，在短短几年间效率就提高到了24.2%。在太阳能电池中，廉价，易于制造的钙钛矿材料擅长将光子转化为电能。现在，钙钛矿正在扭转局面，将电子转化为光，其效率与手机和平板电视中的商用有机发光二极管（OLED）相当。2014年英国剑桥大学Richard H. Friend等人以MAPbI₃-X和MAPbBr₃(MA = CH₃NH³⁺)作为发光层，首次报导了能在室温下工作的近红外光和绿光的钙钛矿发光二极管，测得外量子效率（EQE）分别为0.76%和0.1%。近日，来自中国的黄维院士团队实现了外量子效率达到21.6%的高效钙钛矿LED器件，再次刷新了世界纪录。基于钙钛矿在太阳能电池器件/LED器件领域内的火爆应用，笔者总结了2018年至今在Nature/Science上发表的关于钙钛矿太阳能电池/LED的16篇精华论文。值得注意的是，这16篇顶刊中有8篇出自中国人或外籍华人之手，其中既包括UCLA杨阳教授、UT鄢炎发、中科院院士黄维等大牛，亦包括韩宏伟、王建浦、朱瑞、周欢萍等青年才俊。下面，让我们一起分类品读这16篇Nature/Science论文，感受来自钙钛矿太阳能电池/LED的魅力。

钙钛矿太阳能电池：

No.1Science：光致晶格膨胀制备高效钙钛矿太阳能电池

研究亮点：1.首次通过实验研究了连续光照对钙钛矿薄膜晶格及器件的其器件的影响。2.揭露了光照诱导钙钛矿晶格膨胀与电池性能之间的相互关联，为设计开发高性能钙钛矿电池积累了宝贵的理论知识。

有机无机杂化钙钛矿太阳电池具有高光电转换效率，制备工艺简单和成本低廉等特点，是极具发展前景的新一代薄膜电池技术。莱斯大学Aditya D. Mohite教授课题组和洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员合作在Science发表论文，指出连续光照射导致混合钙钛矿薄膜均匀晶格膨胀，这有助于获得高效光伏器件。相关的原位结构和器件表征表明，光诱导晶格膨胀有利于提升混合阳离子纯卤化物平面器件的性能，将功率转换效率从18.5%提高到20.5%，制备的光伏器件在1 Sun照度下能连续工作超过1500小时，具有良好的稳定性。

NO.2 Science:不一样的二次生长（SSG）技术

研究亮点：发展了一种溶液处理的二次生长技术，提高了反式平面钙钛矿太阳能电池效率。

针对反式结构钙钛矿太阳能电池在光电转换效率上存在的瓶颈，朱瑞研究员、龚旗煌院士与合作者在Science发表论文，首次提出了“胍盐辅助二次生长”方法，显著降低了器件中非辐射复合的能量损失，首次在反式结构器件中获得了超过1.21 V的高开路电压（材料带隙宽度~1.6 eV）。同时显著提高了反式结构钙钛矿电池的光电转换效率——实验室最高效率达到21.51％。经中国计量科学研究院认证，器件的光电转换效率也高达20.90%，这是目前反式结构钙钛矿太阳能电池器件效率的最高记录。该结果为提升反式钙钛矿太阳能电池器件效率提供了新思路。

No.3 Science:高性能钙钛矿/ CIGS叠层太阳能电池

研究亮点：通过对叠层电池的纳米界面工程化处理，发展了一种高效的钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂叠层钙钛矿太阳能电池。

由于存在着互补的可调带隙以及优异的光伏特性，杂化钙钛矿和Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)的结合被认为是实现高效叠层太阳能电池的潜在材料。加州大学洛杉矶分校的杨阳教授和Qifeng Han（共同通讯作者）等人通过改进叠层器件中的输运顶电极（transport top eletrode）、ICL以及空穴传输层（HTL）等结构，在无需调整CIGS器件结构的情况下成功地对叠层太阳能电池进行了性能优化。在这一电池中，研究人员对CIGS表面进行了纳米尺度的界面构建设计，并利用高度掺杂的PTAA作为子电池之间空穴传输层，以此来保留开路电压和增强填充因子以及短路电流。再将半透明且带隙宽度为1.59 eV的钙钛矿和带隙宽度为1.00 eV的CIGS分别作为子电池，这一结构改进的叠层电池的能量转化效率可以达到22.43%，并且工作500小时后的效率还能保持在初始效率88%左右。

NO.4 Science:钙钛矿太阳能电池的商业化挑战

综述亮点：介绍了钙钛矿太阳能电池商业化之路的各方面挑战，着重介绍两个核心问题：稳定性、规模化！

杂化有机无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种具有巨大应用前景的新兴光伏器件。这类器件的光电转换效率（PCE）依然在不断提高，成本较低的原料，简单的溶液法制备过程也为商业化应用提供了基础。韩国蔚山国家科学技术大学的Sang Il Seok、美国科罗拉多大学的Michael D. McGehee、加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent以及华中滚球体育 大学的韩宏伟（共同通讯作者）等人合作撰写了一篇综述，总结了PSCs领域的最新科研进展以及其在商业化道路上依旧存在的诸多挑战。虽然器件效率在实验室里不断创造新高，PSCs的稳定性和扩大生产的挑战依然是商业化道路上最需要克服的挑战。目前，光伏公司已经制备出大面积介观PSCs模块原型并开始着手生产这一类型的大面积PSC模块。近年来，光伏市场依旧处在扩张状态，这也意味着继续降低每瓦功率的成本是非常必要，这也要求光伏器件的效率和使用寿命都能有所提高，以此推进PSCs的商业化。

NO.5 Science:无甲铵、高性能、高稳定、平面型钙钛矿太阳能电池

研究亮点：1.调控无机阳离子，制备了不含甲基铵，也不含Br的高度结晶的钙钛矿。2.引入聚合物界面层，实现了20.35%稳定效率的平面钙钛矿太阳能电池。

由于钙钛矿太阳能电池在稳定性方面的硬伤，导致其难以直接商业化使用。如何在保证其效率的前提下，提高稳定性，是钙钛矿太阳能电池面临的关键问题。在所有高效率钙钛矿太阳能电池中，不稳定的重要来源之一在于，钙钛矿中含有不稳定的甲基铵分子，从而导致钙钛矿不稳定。有鉴于此，瑞士MichaelSaliba和Anders Hagfeldt团队发展了一种不含甲基铵的平面钙钛矿太阳能电池，实现了20.35%稳定效率。研究人员利用Rb和Cs进行无机阳离子调控，制备得到了不含甲基铵，也不含Br的高度晶化的钙钛矿。一方面，不含甲基氨提高了钙钛矿的稳定性，另一方面，不含Br优化了能带结构。在常规平面结构钙钛矿太阳能电池中，研究人员在电荷和空穴传输层界面加入聚合物中间层，最终实现了20.35%的稳定光伏效率，这是目前为止无甲基铵钙钛矿太阳能电池最高效率之一。

NO.6 Science:Eu³⁺/Eu²⁺离子对赋予钙钛矿太阳能电池超稳操作耐久性

研究亮点：1.在钙钛矿活性层中引入Eu³⁺-Eu²⁺离子对，充当“氧化还原梭”，其在周期性转变中同时氧化Pb⁰并减少I⁰缺陷。2.器件实现了21.52％（认证20.52％）的光电转换效率（PCE），并且具有显著改善的长期耐久性。

设备寿命和功率转换效率（PCE）是决定太阳能电池产生的最终成本的关键因素。钙钛矿太阳能电池（PSC）的PCE在过去几年内迅速达到23.7％，与多晶硅和Cu(In, Ga)Se₂太阳能电池相当。但钙钛矿太阳能电池在运行条件下设备稳定性差，使得钙钛矿光伏电池在商业应用中受到了很大的限制。北京大学的严纯华，周欢萍和孙聆东（共同通讯作者）等人合作发表文章。作者发现，铕离子对Eu³⁺-Eu²⁺可充当“氧化还原穿梭”，其在周期性的转变中同时氧化Pb⁰并还原I⁰。所制备的器件实现了21.52％的功率转换效率（PCE），并且具有显着改善的长期耐久性。在最大功率点跟踪500小时后保持91％的初始PCE，在1-sun连续光照1000小时后保持93％的初始PCE，或者在85℃下加热1000小时保持91％的初始PCE。

NO.7 Science:首次揭示碱金属离子对钙钛矿的影响

研究亮点：1.研究了低浓度的碱金属离子可增强钙钛矿中电荷-载流子寿命的机理。2.研究结果可以指导调控碱金属卤化物的添加量。

目前已得到最高转换效率的铅卤钙钛矿太阳能电池（PSCs）是由混合的甲胺等有机阳离子和混合的溴、碘等卤素阴离子制备形成的。有鉴于此，美国麻省理工学院的J.-P. Correa-Baena、T. Buonassisi和加州大学圣地亚哥分校的D. P. Fenning（共同通讯作者）等人利用纳米分辨率级的绘图成像技术阐释了钙钛矿中碱金属的元素分布及其对材料电子学性质以及器件性能的影响。研究人员利用基于同步加速器的纳米尺度X射线荧光成像（n-XRF）绘制了多离子钙钛矿的元素分布，实验发现随着碘化铯或者碘化铷/碘化铯混合物的引入，卤素分布变得更加均匀。研究还进一步发现，少量碱金属的引入虽然能够使得卤素分布更加均一，然而当碱金属的加入量超过1%（化学计量数）时，就会容易形成第二相富含碱金属的聚集体，从而诱导载流子在碱金属簇上复合重组。因此，该项研究对于调控碱金属卤化物的添加量具有指导性意义。

NO.8 Science:首次揭示碱金属离子对钙钛矿的影响

研究亮点：1.使用硫氰酸胍（GuaSCN）显著提升有机-无机低带隙；2.与宽带隙太阳能电池结合，获得高效率串联太阳能电池

通过更加高效的利用蓝光，有机-无机钙钛矿薄膜可以显著提高叠层硅基太阳能电池的输出。然而由于缺乏高效率、低带隙的混合钙钛矿太阳能电池，全钙钛矿基叠层器件的性能被大大限制。美国托莱多大学的鄢炎发以及美国国家可再生能源实验室的Kai Zhu、J.J.Berry等人（共同通讯作者）等人发现硫氰酸胍（GuaSCN）这一材料的加入能够显著提升有机-无机低带隙（约为1.25 eV）(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4钙钛矿薄膜的结构和光电性能。通过这一方法，器件缺陷密度被大大降低；载流子的寿命被提高到大于1微秒的水平；载流子扩散长度从500nm延伸到2.5微米；显著降低了表面重组速度；减少了薄膜结构缺陷。这些性能的改善不仅减少了能量失调的情况，还实现了效率大于20%的低带隙单结钙钛矿太阳能电池。当与宽带隙太阳能电池结合时，研究人员更是获得了效率分别高达25％的4端和23.1％的2端全钙钛矿型多晶薄膜串联太阳能电池。

NO.9 Nature:基于P3HT的双层卤化物结构高效钙钛矿太阳能电池23.3%

研究亮点：

1.通过引入超薄宽禁带卤化层解决了P3HT和钙钛矿层的接触问题；2.设计了P₃HT基双层卤化物结构钙钛矿太阳能电池，获得了23.3%的小面积电池效率，并且具有优异的环境稳定性。

P₃HT是一种极具潜力的空穴传输材料，其光电性能优异，价格低廉并且容易制备。但是，目前以P3HT作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的效率仅仅达到16%。基于此，韩国化学技术研究所的Jun Hong Noh和Jangwon Seo(共同通讯作者)等人在Nature发表了一篇名为“Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene)”的文章，该文章报道了一种使用P3HT作为空穴传输层的高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。其小面积器件效率最高可达23.3%，大面积效率器件可达16%。封装前起久在85%相对湿度下1000小时，仍然保持85%的效率。封装后，器件在常温下，太阳光照射1370个小时保持95%的效率。

钙钛矿LED：

NO.1 Nature:钾离子钝化，卤化物钙钛矿发光更强更稳定

研究亮点：1.钙钛矿薄膜及界面对于钝化添加剂有较强的容忍度；2.获得高效稳定的外荧光量子产率器件

金属卤化物钙钛矿通过改变化学组成可以实现钙钛矿带隙的连续调节，从而实现多种应用。但是，此类钙钛矿材料性能往往受限于非辐射复合损失，即便是最先进的钙钛矿太阳能电池，在标准太阳光照条件下的发光产率也远远小于100%。此外，光致离子迁移也会导致钙钛矿材料的带隙不稳定。近日，英国剑桥大学的Samuel D. Stranks博士等人找到了一个简单有效的方法来提高卤化物钙钛矿的性能。他们通过对钙钛矿表面及晶界的钾离子钝化，显著降低了钙钛矿薄膜及界面的非辐射损失及光致离子迁移。

NO.2 Nature:钾离子钝化，卤化物钙钛矿发光更强更稳定

研究亮点：1.发现了一类全无机钙钛矿纳米晶闪烁体，其在可见光区可调谐；2.探索了X射线探测器的结果可视化以及在电子电路领域的应用

如果医院有一款超灵敏的X射线探测检测器，每一次X光检查对人体的有害辐射可极大地减少，甚至危害可忽略，你会不会觉得安全了很多。新加坡国立大学刘小钢课题组、西北工业大学黄维院士、福州大学杨黄浩教授课题组合作在Nature 上发表文章，报道了一类全无机钙钛矿纳米晶体应用于闪烁体，可以实现发射光谱在可见光区域调谐。研究者通过条件相对温和的热注入溶液法，制备了一系列立方形钙钛矿纳米晶体（CsPbX₃，其中X=Cl、Br或I），平均尺寸为9.6 nm，具有良好的发光效率。通过调节钙钛矿的组成，可以改变其带隙，结合光刻技术和溶液加工，首次实现了X射线的彩色发光显示。

NO.3 Nature:亚微米级结构的钙钛矿发光二极管

研究亮点：基于自发形成的亚微米结构，实现了外部量子效率高达20.7%的钙钛矿LED。

LED是一种能够将电能转化成光能的半导体电子元件，具有节能、环保、安全和高亮度等特点，在日常生活和生产中得到了广泛应用。近年来兴起的钙钛矿发光二极管兼具无机LED和有机发光二极管（OLED）的优势，在低能耗、高亮度、大尺寸显示与照明领域具有广阔的应用前景。有鉴于此，南京工业大学黄维院士（目前单位西北工工业大学）和王建浦团队。他们同样报道了一种外量子效率（EQE）超过20%的钙钛矿LED。以摩尔比为0.7/2.4/1的5AVA、FAI和PbI₂作为前驱体，溶解于DMF中，质量浓度为7%。首先成膜，然后在100℃退火16min，最后沉积到顶部电荷传输层。整个器件构成为(ITO)/PEIE-ZnO (30 nm)/钙钛矿 (50 nm)/ TFB(40 nm)/ MoO(7 nm)/Au (60 nm)。最终，在电流密度为18 mA cm^-2条件下，实现了外部量子效率高达20.7%的钙钛矿LED器件。另外，得益于地工作电压，在在电流密度为100 mA cm^-2条件下，实现了12%的能量转化效率。

NO.4 Nature:外量子效率超过20%的钙钛矿发光二极管

研究亮点：1.一步法制备组分分布可控的准核壳结构钙钛矿薄膜。2.引入PMMA阻挡层，改善了电荷注入平衡。3.钙钛矿发光二极管外量子效率（EQE）超过20%，工作寿命（T50）超过100h，创造了世界纪录。

目前报导的绿光和近红外光钙钛矿LED的最高外量子效率分别为14%和12%，且钙钛矿发光二极管器件稳定性差，远低于已经商业化的有机发光二极管（OLEDs）和无机量子点发光二极管（QLEDs）等。有鉴于此，华侨大学魏展画教授联合新加坡南洋理工大学熊启华教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授的科研团队报道设计了不同组分分布的钙钛矿薄膜：单层 CsPbBr₃、叠层CsPbBr₃/MABr和CsPbBr₃@MABr准核-壳结构，通过对比不同组分分布的钙钛矿薄膜在紫外灯下的荧光（PL）可以明显看出，具有准核-壳结构的钙钛矿薄膜表面平整且具有较高的PL。研究人员通过二次离子质谱 (SIMS)深度组分分析和薄膜TEM截面分析进一步验证了CsPbBr₃@MABr准核-壳结构。实现了LED外量子效率（EQE）超过20%的钙钛矿LED，工作寿命（T50）超过100h，创造了新的世界纪录！

NO.5Nature:无铅卤化物双钙钛矿暖白光的高效稳定发光

研究亮点：

1.Na掺杂Cs₂AgInCl₆降低了电子维数，STEs的辐射复合实现有效的白光照明。2.材料显示出出色的稳定性和低成本制备的特点，极大的促进了固态照明的发展。

钙钛矿材料的“软”晶格特性使其具有很强的光子与声子的耦合作用，其受激发后产生的电子-空穴对很容易引起晶格畸变从而被晶格捕获，形成自限域态的激子(STEs)。美国托莱多大学的鄢炎发教授与华中滚球体育 大学的唐江教授（共同通讯）联合在Nature发表文章，题为“Efficient and stable emission of warm-white light from lead-free halide double perovskites”。作者报道了一种无铅双钙钛矿，它通过自俘获激子表现出高效稳定的白光发射，这些激子源自处于激发态的AgCl₆八面体的Jahn-Teller畸变。将钠离子掺杂到Cs₂AgInCl₆中，作者通过操纵自俘获激子波函数的奇偶性来打破暗跃迁，并降低半导体的电子维数。这导致光致发光效率比纯Cs₂AgInCl₆提高了三个数量级。含0.04%铋掺杂的最佳合金Cs₂(Ag_0.60Na_0.40)InCl₆发出86.5%量子效率的暖白光，工作时间超过1000小时。作者预计这些结果将刺激对用于下一代照明和显示技术的基于单发射器的白光发光磷光体和二极管的研究。

NO.6 Science: 重塑卤化钙钛矿纳米晶体

综述亮点：高效多尺度量子化学软件和强大的超级计算机的出现，有利于寻找到提高稳定性和光电效率所需的完美配体。

钙钛矿纳米晶的敏感的表面使其易于降解和长期不稳定，并且表面可以引入表面中心（中间隙状态），其促进电荷载体的非辐射复合，从而降低PLQY。因此，纳米晶与有机配体之间界面的表征对于开发控制表面缺陷，调整光电性质以及改善器件性能的策略是至关重要的。意大利理工学院Liberato Manna和Ivan Infante等人指出，随着钙钛矿纳米晶体尺寸减小以增加量子限制的程度，表面将变得更加重要。需要一种系统的方法，结合不同的实验和计算工具来寻找超出简单脂肪族配体链的最佳配体。随着高效多尺度量子化学软件和强大的超级计算机的出现，可以根据可预测的参数筛选大量配体，包括宏观和微观。钙钛矿纳米晶的筛选可以通过机器学习来解决。这样就可以很快的寻找到提高稳定性和光电效率所需的完美配体。

NO.7 Nature: 晶格锚固可稳定溶液处理的半导体

研究亮点：1.铯铅卤化物钙钛矿与铅硫属元素化物CQD结合，报道了“晶格锚定”杂化材料。2.两种材料之间的晶格匹配有助于稳定性超过组分的稳定性。

无机铯铅卤化物钙钛矿胶体量子点（CQD）是结构坚固的材料，因其尺寸可调的带隙而受到重视。然而，它们还需要稳定性的进一步提高，因为它们由于不完全的表面钝化而易于在高温下聚集和表面氧化。近日，多伦多大学Edward H. Sargent教授研究团队报道了“晶格锚定”杂化材料，其将铯铅卤化物钙钛矿与铅硫属元素化物CQD结合，这两种材料之间的晶格匹配有助于稳定性超过组分的稳定性。研究发现CQD使钙钛矿保持在其所需的立方相中，从而抑制向不希望的晶格失配相的转变。与原始钙钛矿相比，CQD锚固钙钛矿在空气中的稳定性提高了一个数量级，并且材料在环境条件（25摄氏度和约30％湿度）下保持稳定超过六个月且超过五个小时在200摄氏度。与CQD对照相比，钙钛矿防止CQD表面的氧化并且在100摄氏度下将纳米颗粒的聚集减少了五倍。对于在红外波长发射的CQD固体，基质保护的CQD显示出30％的光致发光量子效率。晶格锚定的CQD：钙钛矿固体表现出电荷载流子迁移率加倍，这是由于与纯CQD固体相比载流子跳跃的能垒减小。这些益处在溶液处理的光电器件中具有潜在用途。

总结：虽然，钙钛矿太阳能电池的研发遇到了诸多困难，但是，近几年这一领域的快速发展使其开始初步显示出潜在的商业化前景。美国有的科学家预测，以新型钙钛矿为原料的太阳能电池的转化效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，这将大幅降低太阳能电池的使用成本。也难怪世界顶级学术杂志Science会把钙钛矿太阳能电池评为该年度的十大滚球体育 进展之一。韩礼元教授指出中国作为最大的光伏组件出口国和消费国，将是最有可能率先实现钙钛矿电池产业化的热土；未来钙钛矿电池的研究重心应当从高效率向稳定性、大面积模块制备上转移。对于LED，过去10年来，LED的应用越来越广，其节能、环保、寿命长、体积小，但制造成本也相对较高，降低LED制造成本是相关产业界的重要目标。而新技术将加速钙钛矿在照明、显示、激光领域的商业应用，使未来的LED产品更高效且廉价。

参考文献：

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[4] Yaoguang Rong et al. Challenges for commercializing perovskite solar cells. Science, 361, (6408). DOI: 10.1126/science.aat8235

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往期回顾：

这才是真的高手！钙钛矿太阳能领域的十大重量级人物

材料人报告|2019年第一季度钙钛矿太阳能电池研究详情分析

本文由eric供稿。

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