近期Nature/Science钙钛矿太阳能电池文章大盘点！

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）自2009年被第一次报道其优异的光伏性能，经过十余年的迅速发展，最新认证的光电转换效率（PCE）已从最初的3.8%增长到25.5%。钙钛矿材料由于其优异的光电性能，在太阳能电池、发光器件等多个领域均有应用，接下来让我们来看看近期发表在NS顶刊上的重要成果。

1, Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite

钙钛矿太阳能电池的光电转换效率虽然节节攀高，但是由于钙钛矿本身对电子束等束流敏感，因此其微观机理的研究进展缓慢。该团队通过原子级透射电子显微镜测试，成功获得了FAPbI₃钙钛矿薄膜的原子级分辨照片，照片展示了高度有序的原子阵列、清晰分明的晶界以及钙钛矿与PbI₂的交界面，同时没有发现晶格中长程无序的现象。在测试中作者发现由于电子束导致FA⁺离子损失，留下部分未被占用的钙钛矿晶格，随后会进行重新排列，这也解释了钙钛矿材料的再生过程。作者还进一步观察了FAPbI₃中点缺陷和位错的性质，对之后钙钛矿中的机理研究具有非常重大的指导意义。

2, Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI₃perovskite solar cells

在钙钛矿太阳能电池FAPbI₃体系中，相当多的研究报道在钙钛矿中引入阳离子或卤素离子可以有效提高光电转换效率，但是会使得带隙变宽同时影响电池的稳定性能。本文基于FAPbI₃体系，提出了一种新的处理方法，将FAPbI₃的δ相置于MASCN或者FASCN的蒸汽中，制备得到FAPbI₃的纯α相，核磁共振测试表明MA已经进入钙钛矿晶格中，分子动力学模拟结果显示SCN^-离子有效促进α相的形成和稳定。基于上述制备方法所得薄膜制备钙钛矿太阳能电池，最终获得了大于23%的光电转换效率，电池也具备优良的稳定性能。本篇文章揭示了SCN^-离子是稳定α-FAPbI₃的关键，对于FAPbI₃基钙钛矿太阳能电池的发展非常重要，同时该体系的高电压和高外量子效率也表明FAPbI₃钙钛矿材料可能适用于发光二极管和光电探测器领域。

3, Impact of strain relaxation on performance of a-formamidinium lead iodide perovskite solar cells

离子掺杂是稳定α-FAPbI₃钙钛矿的重要方法，在引入其他离子后，通常会对带隙、载流子动力学、稳定性以及晶格微应力产生非常大的影响，甚至导致缺陷位点的产生。本文通过在A位引入Cs⁺和MDA⁺离子，发现在掺杂一定量的情况下，晶格应力减小，载流子寿命延长，乌尔巴赫能和缺陷密度降低。最终获得了认证效率达到24.4%的FAPbI₃基钙钛矿太阳能电池，未封装的电池器件在85℃的热稳定测试过程中（避光），在1300h之后仍能保持初始效率的80%以上。

4, Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

迄今为止，综合考虑制备工艺以及与钙钛矿的能级匹配程度，Spiro-OMeTAD仍然被认为是最高效的空穴传输材料，本文设计了两种Spiro-OMeTAD的氟化异构类似物Spiro-mF和Spiro-oF，通过实验、原子级和理论的相关测试分析，最后获得了光电转换效率高达24.82%的电池（认证效率为24.64%）；未封装的电池器件在潮湿环境的稳定性测试过程中，在500h之后仍能保持初始效率的87%；1cm²大面积电池也获得了22.31%的光电转换效率。

5, A fabrication process for flexible single-crystal perovskite devices

本文通过基于溶液的光刻辅助外延生长和转移方法，可以在任意衬底上制备单晶钙钛矿薄膜，薄膜厚度可以在~600nm到~100μm范围内精确控制，面积最大可达到5.5cm×5.5cm范围，以及沿厚度方向上的成分梯度分布（以甲基铅碘为例，掺杂Sn²⁺离子时，钙钛矿由MAPbI₃过渡至到MAPb_0.5Sn_0.5I₃）。转移的单晶钙钛矿薄膜质量可与直接生长在外延衬底上的薄膜质量相媲美，而且一定厚度的薄膜具有非常好的柔性。Pb-Sn基单晶钙钛矿拥有逐渐过渡的能带结构，可以有效提高载流子迁移能力同时阻碍载流子的复合。基于这种单晶钙钛矿所组装的电池，不仅表现出优异的稳定性能，同时还获得了优秀的光电性能，Pb-Sn基钙钛矿太阳能电池最后获得了18.77%的平均光电转换效率。

6, A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells

器件稳定性一直是钙钛矿太阳能电池研究的重点，我们通过在Cs_0.17FA_0.83Pb(I_0.77Br_0.23)₃钙钛矿中引入一种[BMP]⁺[BF₄]^-基的添加剂，调整能带结构与硅串联电池更为匹配，提高了开路电压和电池效率。这种添加剂同时也延缓了薄膜中杂质相和针孔的产生。在之后的稳定性测试过程中，未封装器件在60℃和85℃的加热条件下，在1010h和1200h内可保持80%的峰值效率，而封装器件稳定在95%，有效提高了器件稳定性。

7, Gas chromatography–mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells

本文通过气相色谱-质谱（GC-MS）揭示了有机-无机杂化钙钛矿在热条件下分解的挥发性产物，证实了一种低成本的聚合物/玻璃叠层封装方法的有效性，可使电池通过(IEC) 61215:2016的湿热和湿度测试，这些测试可以判定电池组件是否满足户外工作条件，本文的密封方法可以有效阻挡水分子的进入，同时还可以阻止钙钛矿中大分子组分的挥发，大幅提高器件的稳定性。

8, On-device lead sequestration for perovskite solar cells

钙钛矿太阳能电池作为高效低成本的光伏能源，在商业化过程中也面临着诸多挑战。器件的稳定性在研究者的努力下已经取得了较大提高，但是铅废料和器件中泄漏出铅的毒性问题仍没有解决方案，这对自然环境和公共健康都有非常大的危害性。本文提出了一种化学方法，通过在器件的正反面都覆盖一层吸收铅的涂层材料，可以有效隔离96%以上的铅废料。在光照侧，作者使用了一种透明的DMDP薄膜，其中的基团与铅有非常强的作用力；在对电极侧，作者使用了掺有铅螯合剂的聚合物薄膜。两侧的薄膜在水中都可以有效的吸收铅，并而不会溶解，从而保证了器件的完整性，避免了铅泄露。

参考文献：

1. Rothmann M. Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite[J]. Science, 2020, 370(6516): eabb5940.

2. Lu H, Liu Y, Ahlawat P, et al. Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells[J]. Science, 2020, 370(6512): eabb8985.

3. Kim G, Min H, Lee K S, et al. Impact of strain relaxation on performance of α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells[J]. Science, 2020, 370(6512): 108-112.

4. Jeong M, Choi I W, Go E M, et al. Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss[J]. Science, 2020, 369(6511): 1615-1620.

5. Lei Y, Chen Y, Zhang R, et al. A fabrication process for flexible single-crystal perovskite devices[J]. Nature, 2020, 583(7818): 790-795.

6. Lin Y H, Sakai N, Da P, et al. A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells[J]. Science, 2020, 369(6499): 96-102.

7. Shi L, Bucknall M P, Young T L, et al. Gas chromatography–mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells[J]. Science, 2020, 368(1328): eaba2412.

8. Li X, Zhang F, He H, et al. On-device lead sequestration for perovskite solar cells[J]. Nature, 2020, 578(7796): 555-558.

本文由西游供稿。

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