Grätzel、Sargent、Seok、杨阳、韩宏伟等太阳能电池大牛近期NS、JACS等成果

Science：共轭有机阳离子助力实现可重构的能带边缘态

一般化学结构为ABX3 的金属卤化钙钛矿的能带边缘(A，通常为一价有机阳离子;B，二价阳离子;X是卤化物阴离子)主要由B和X的轨道组成。因此，无机B-X框架的结构和组成类型主要负责调节其电子性质，而A位阳离子被认为只有助于稳定晶格，而不是直接对近边缘态有贡献。

载流子动力学变化与光伏响应的研究

近期，加州大学洛杉矶分校的杨阳教授、国家可再生能源实验室的Matthew C. Beard教授以及托莱多大学鄢炎发教授（共同通讯）等人报道了π-共轭引起的A位阳离子电子态的扩展对钙钛矿前线轨道的影响。π-共轭芘中含有A位阳离子，通过适当调整无机骨架层间的插层距离，对表面能带边缘和载流子动力学产生影响。研究显示，与参考钙钛矿相相比，具有最佳插层距离的乙基铵芘增加了空穴迁移率，其中光电转换效率从20.1%提高到了23%，在连续光照2000小时后仍然有着超过85%的原始效率，同时器件稳定性也得到了增强。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6529/636/tab-pdf

Joule：稳定的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池具有能量转换效率高、材料成本低以及制备过程简单的特点，有望使光伏电站变得更具成本效益。然而，这类材料的稳定性问题一直限制了其付诸应用。尽管目前的研究已经取得了很大的进展，但对于钙钛矿太阳能电池来说，通过目前最受认可的国际标准IEC61215:2016（成熟的光伏技术）依然是个挑战。

稳定可印刷介观钙钛矿太阳能电池的机理

华中滚球体育 大学的韩宏伟（共同通讯作者）团队近期发表文章报道了提高钙钛矿太阳能电池稳定性以达到标准的研究。该工作发现MAPbI₃钙钛矿的主要破坏机理：一是碘甲胺会在开放空间的晶界发生逸出行为；二是晶体会在有限的狭窄空间里重建；三是光、热、电学偏压等多重作用下发生的不可逆长程离子迁移。基于这样的机理，研究发现双功能有机分子5-氨基戊酸碘化物（5-AVAI）在MAPbI₃晶体的晶界处，在纳米尺度固定住MAPbI₃晶体，从而抑制了分解或重构，并使离子迁移变得可逆，由此提出的稳定性策略使钙钛矿太阳能电池通过了IEC61215:2016的稳定性测试标准。此外，填充有(5-AVA)XMA1-XPbI₃的可印刷介观钙钛矿太阳能电池在55℃±5℃下进行最大功率点测试 9000多个小时，性能没有明显的衰减。

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120304463?via%3Dihub

Nat. Energy：提升太阳能器件稳定性

化学式为APbI₃(A代表阳离子)的卤化物钙钛矿光吸收剂具有典型的三维结构，其中甲酰胺(FA, NH2CH=NH2⁺)、甲基铵(MA, CH3NH3⁺)和铯离子(Cs⁺)是主要的A位阳离子，它们都是决定太阳能器件性能和稳定性的关键因素。而在这些阳离子中，甲酰胺的表现最为突出，这主要是因为三维甲酰胺三碘化铅(FAPbI₃)钙钛矿具有较低的带隙和更好的热稳定性。而对于甲酰胺三碘化铅钙钛矿太阳能电池来说，不同的制备方法虽然效率相似，但其长期稳定性却不尽相同。

针对这一现象，韩国蔚山科学技术大学的Sang Il Seok和Tae Joo Shin（共同通讯作者）等人认为主要原因是在此过程中，以异丙醇为溶剂与甲基氯化铵进行化学反应生成的异丙基铵阳离子对α-FAPbI₃相稳定性的影响。根据这一结论，通过在钙钛矿前驱体溶液中加入异丙基氯化铵一锅法制备钙钛矿太阳能电池，获得了23.9%的认证功率转换效率。长期运行的电流密度-电压测量(在氮气气氛中1太阳照射下，每84分钟扫描一次)表明，初始效率约为20%的器件在1000小时后的效率约为23%，在额外1000小时后逐渐下降到22%左右。进一步研究还发现，盐酸异丙基铵不仅能够稳定α相，还能通过表面钝化减少缺陷，并优化单晶的取向获得更好地性能。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00802-z

JACS：NMR揭示相分离在太阳能电池中的作用

基于AMX₃组分的杂化钙钛矿光伏器件在性能、成本等方面具有明显优势，被认为是颇具竞争力的太阳能电池技术。然而，由于与氧气、水存在反应活性以及内部离子迁移等原因导致此类器件的稳定性较差，影响了其进一步发展。在杂化钙钛矿之间引入疏水有机阳离子形成层状二维钙钛矿是目前解决杂化钙钛矿稳定性问题的潜在策略之一。然而形成分隔层的有机片段之间的相互作用能够直接影响材料结构，从而影响其光电性能。因此，准确测定原子结构从而揭示这些相互作用是发展杂化钙钛矿电池的关键所在，然而，这对于传统衍射技术来说是一个巨大的挑战（这是因为多晶和重原子存在造成的）。

超分子材料设计

针对这一问题，洛桑联邦理工学院的Ursula Rothlisberger、Michael Grätzel、Jovana V. Milić以及Lyndon Emsley（共同通讯作者）等人利用核磁共振晶体学、分子动力学模拟、DFT计算以及X射线衍射等技术揭示了分隔层阳离子的原子级结构。这一模型系统是以S²PbI⁴为组分的层状二维钙钛矿，其分隔层则由苯基乙胺类PEA⁺或者乙胺类氟化烷烃FEA⁺构成。与先前的研究经验不同，该工作揭示了芳烃-氟化芳烃相互作用不会导致均一的交替结构，反而促使分隔层产生纳米尺度的相分离畴。此外，研究还发现，这一具有混合分隔区的超分子结构能够强化钙钛矿太阳能电池的性能和运行稳定性。这些发现为设计层状杂化钙钛矿系统提供了新的理解和思路。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11563

JACS：钝化剂和掺杂剂协同提高钙钛矿太阳能电池性能

长期耐用性对于钙钛矿太阳能电池的商用来说非常关键。然而，钙钛矿的离子特点以及用于空穴输运层的通用添加剂如Li-TFSI、tBP等都使得钙钛矿太阳能电池对湿度非常敏感，从而削弱其长期稳定性。

TFMBAI/TFP-based PSC的结构表征

天津大学的XianggaoLi和洛桑联邦理工学院的YamengRen、YuhangLiu、Michael Grätzel（共同通讯作者）等人提出了一种三氟甲基化策略，可以克服钙钛矿电池稳定性差的问题，同时还能显著提高太阳能电池的光电转换效率。研究采用碘化物TFMBAI作为两亲性改性剂，以减少界面缺陷；采用吡啶类化合物TFP作为添加剂以增强空穴输运层的疏水性。研究返现，利用TFMBAI进行表面处理的三阳离子钙钛矿能够明显抑制非辐射电荷载流子重组，将光电转换效率从20.9%提升至23.9%，同时还能抑制迟滞行为。而向空穴输运层添加了TFP后，钙钛矿太阳能电池的耐湿度性能得到大幅提升，同时也能保持高光电转换效率。最后，通过将两种改性剂结合，研究实现了TFMBAI/TFP基钙钛矿太阳能电池，展现出高效的同时还具有优异的运行稳定性和湿度耐受性，在500小时的最大功率电跟踪（MPPT）后（模拟一个太阳辐照）其效率还能保留初始效率的96%；而在相对湿度为60-70%的环境中暴露1100小时后，电池的效率还能保留97%。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12802

Nat. Energy：能带工程实现高效叠层太阳能电池

单面钙钛矿/晶体硅叠层通常需要钙钛矿带隙达到或接近1.7eV的水平，这往往需要通过在钙钛矿晶体中增加溴化物/碘化物比例来实现。然而，这就有可能导致在长时间光照下发生相分离现象，促使器件发生降解。

钙钛矿/硅双面叠层器件

多伦多大学的Edward H. Sargent和阿卜杜拉国王滚球体育 大学的Stefaan De Wolf（共同通讯作者）等人报道了一种双面叠层器件，可使在单面AM1.5G1太阳（发电密度为~26 mW cm^–2，野外测试）辐照下的认证光电转换效率超过25%。作者在数种辐照条件和反照率（albedo）参数下对可优化电流匹配的钙钛矿带隙进行研究。不仅如此，作者在环境截然不同的两个地点将这些双面叠层器件暴露于不同反照率条件下，对其进行能量产出计算并比较了他们的器件性能。最后研究表明，高效的双面叠层器件需要狭窄的钙钛矿带隙和几乎纯碘化物组分去实现电流匹配，以此来提升叠层器件的运行稳定性并增强他们的能量产出。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-00756-8

Nat.Commun.：缺陷耐受的稳定硒化锗光伏器件

在卤化铅钙钛矿中，价带最大值（VBM）处的反键态，即铅6s-碘5p耦合，造成了材料的缺陷耐受性能。然而，器件的稳定性问题以及对铅的过度依赖依然是钙钛矿太阳能电池面临的重要挑战。

硒化锗的点缺陷性质

多伦多大学的Edward H. Sargent和中科院化学所的薛丁江、胡劲松（共同通讯作者）等人在近期报道发现了二元硒化锗因为锗4s-硒 4p耦合而产生类钙钛矿的反键VBM；更重要的是，这类材料在具有较少体相缺陷的同时还展现出了高度稳定的特点。研究发现，在体相硒化锗中的深部缺陷密度约为10¹²cm⁻³。根据这一发现，研究设计了一种表面钝化策略，可以使硒化锗太阳能电池实现5.2%的认证能量转换效率，比已见报道的最优硒化锗光伏器件还高3.7倍。在常温下储存12个月后，对未封装器件进行检测（最大功率点追踪1100小时、紫外辐照剂量15 kWh m⁻²、范围为-40到85 °C的60次热循环），并没有发现效率损失的现象。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20955-5

本文由NanoCJ供稿。

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