黄维院士最新Science：在室温高湿条件下稳定黑相甲酰胺钙钛矿的形成

木文韬 3年前 (2021-03-26) 11003浏览

【引言】

卤化铅钙钛矿太阳能电池（PSCs）的高功率转换效率（PCE）归功于其高载流子迁移率和扩散长度以及活性层材料的可调节带隙。黑相甲酰胺铅碘（α-FAPbI₃）的带隙最窄（薄膜中为1.45 ~ 1.51 eV）。在环境条件下，由于大尺寸的FA⁺会引起晶格畸变，该相容易转变为宽带隙黄色非钙钛矿相（δ-FAPbI₃），因此已经开发出稳定α-FAPbI₃钙钛矿薄膜的方法。其中一些方法涉及混合其他阳离子、阴离子或两者混合以形成杂化甲酰胺钙钛矿，如FA_xMA_1-x双重阳离子；FA_1-x-yMA_xCs_y三重阳离子；甚至FA⁺、MA⁺、Rb⁺、Cs⁺、SCN^-和Br^-多种阳离子-阴离子杂化。虽然这些改性提高了PCEs的稳定性和增强，但高质量的钙钛矿和钙钛矿中间薄膜必须在惰性气氛中处理，并严格控制温度和相对湿度（RH）。这些要求极大地限制了PSCs的生产和应用。前驱体在常用溶剂和薄膜中的相互作用起到了稳定作用。这些相互作用控制钙钛矿片段的组装，并影响框架的稳定性和性能。

【成果简介】

今日，在南京工业大学、西北工业大学、南京邮电大学黄维院士和南京工业大学陈永华教授（共同通讯作者）团队等人带领下，报道了一种稳定的黑相α-FAPbI₃的合成，在其制备过程中对环境条件不敏感。以离子液体甲酸甲胺（MAFa）为原料，制备了垂直取向的碘化铅（PbI₂）薄膜。与常用溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）不同，MAFa溶剂通过C=O···Pb螯合和N-H···I氢键与PbI₂的强相互作用，促进了PbI₂相对于底物的垂直生长。甲脒碘（FAI）可以通过原位形成离子通道进入PbI₂薄膜，显著降低了薄膜的形成能垒。无论RH（20 ~ 90%）和温度（25°~ 100°C）， α-FAPbI₃都能快速转变为稳定的黑相α-FAPbI₃。团队在环境空气中实现了大于24%的PCE，在充氮手套箱5000小时可以保持93%的初始效率，热稳定性达500小时（在85°C保持80%的初始效率），稳定连续光胁迫下（在最大功率点运行500小时后，仍保持了90％的初始效率）。相关成果以题为“Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity”发表在了Science。