专栏名称: 化工新材料

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北京大学，最新Science！

化工新材料 · 公众号 · · 2025-01-25 00:02

正文

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【科学背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）已经表现出卓越的功率转换效率（PCE）和低制造成本，但PSCs较差的长期稳定性阻碍了其商业化。增材工程、界面工程和传输层设计已将PSCs的使用寿命延长至数千小时，但混合钙钛矿吸收器的内在不稳定性仍然是其全面商业部署潜力的主要障碍。甲脒基三碘化铅（FAPbI ₃ ）被认为是单结PSCs最具竞争力的吸收剂，但FAPbI ₃ 存在复杂的结晶动力学和热力学亚稳性，制备非合金和高质量的α-FAPbI ₃ 钙钛矿薄膜比较困难。与非光活性δ-FAPbI ₃ 相比，α-FAPbCl ₃ 的高成核势垒、FAI的传质限制以及与α相降解相关的对水分的敏感性，这通常会导致薄膜晶体质量低、稳定性差。钙钛矿结晶过程的动力学调节可以有效缓解这些问题。然而，这些方法通常会通过残留的成分添加剂在FAPbI ₃ 中引入额外的不稳定因素，这些添加剂可能会导致阳离子—阴离子分离、热分解、甚至FA ⁺ 和路易斯碱物种之间的亲核反应。

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【创新成果】

为解决以上难题， 北京大学周欢萍教授团队 在 Science 发表了题为“ Nonalloyed α-phase formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation ”的论文，报道开发了一种动力学调控策略，在共生挥发性碘插层和脱层的辅助下，制造出高质量且稳定的非合金化α-FAPbI ₃ 薄膜。碘的插层促进了角共享Pb-I框架构件的形成，并降低了α-FAPbI ₃ 形成的动力学能垒，而碘的脱层则改善了最终钙钛矿薄膜的质量，包括组成纯度和整体均匀性。基于这种非合金化α-FAPbI ₃ （不含其他外在组成离子）的太阳能电池实现了超过24%的PCE。这些设备还表现出出色的耐久性，在85°±5°C的光照下运行超过1100小时后，仍保持99%的原始PCE。

据报道，就在上周（2025年1月10日），北京大学周欢萍教授和张艳锋教授合作，将晶圆级连续单层MoS ₂ 集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究成果以“ Wafer-scale monolayer MoS ₂ film integration for stable ， efficient perovskite solar cells ”为题发表在顶级期刊 Science 上。

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【数据概览】

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【科学启迪】

综上，研究人员展示了一种调节结晶动力学的策略， 通过共沸挥发性碘嵌入和脱层制备具有高晶体质量的稳定非合金α-FAPbI ₃ 钙钛矿薄膜 。I ₂ 和形成的多碘化物有助于角共享碘化铅框架的成核，有效地降低了α-FAPbI ₃ 形成的动力学势垒。退火过程中碘的完全升华确保了最终钙钛矿薄膜在成分纯度和整体均匀性方面的质量。基于所得的非合金α-FAPbI ₃ 吸收剂，太阳能电池的PCE为24.1%。值得注意的是，优化后的设备表现出了更好的长期稳定性，在85°C的温度下，MPP在100 mW cm ^-2 的光照强度下1180小时后，仍保持99%的原始PCE。