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燃炸了！仅一周，北大周欢萍教授再发Science！

微算云平台 · 公众号 · · 2025-01-17 07:00

正文

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甲脒三碘化铅（FAPbI ₃ ）被认为是高性能单结太阳能电池最有希望的组成材料。然而，非合金化的α-FAPbI ₃ 相对于光惰性的δ相是亚稳态的。

在此， 北京大学 周欢萍 教授等人 开发了一种动力学调制策略，通过共生成的挥发性碘插层和脱层辅助制备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 框架构建块的形成，并降低了 α-FAPbI ₃ 形成的动力学障碍，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% 的光电转换效率。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，仍保持其原始光电转换效率的 99% 。

相关文章以 “ Nonalloyed α-FAPbI ₃ formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation ” 为题发表在 Science 上。这也是 周欢萍教授 时隔一周再发 Science ！（北京大学， 2025 年首篇 Science ！）

研究背景

钙钛矿太阳能电池（ PSCs ）已展现出卓越的光电转换效率（ PCE ）和低制造成本，但 PSCs 的长期稳定性不佳阻碍了其商业化。添加剂工程、界面工程和传输层设计已将 PSCs 的运行寿命延长至数千小时，但混合钙钛矿吸光剂的固有不稳定性仍是其全面商业部署的主要障碍。甲脒三碘化铅（ FAPbI ₃ ）被认为是单结 PSCs 最有竞争力的吸光剂，但其存在复杂的结晶动力学和热力学亚稳态问题，制备非合金化且高质量的 α-FAPbI ₃ 钙钛矿薄膜一直是个难题。挑战包括 α-FAPbI ₃ 相较于非光活性的 δ-FAPbI ₃ 具有较高的成核障碍、 FAI 的质量传输限制，以及与 α 相降解相关的对湿气的敏感性，这通常会导致薄膜晶体质量低和稳定性差。

通过动力学调制钙钛矿结晶过程可以有效缓解这些问题。这可以通过铵阳离子合金化（如甲基铵（ MA ⁺ ）、噻吩甲基铵（ TMA ⁺ ）和丙基铵（ PA ⁺ ））和卤素或拟卤素掺杂（如 Cl⁻ 、硫氰酸根（ SCN⁻ ）和醋酸根（ Ac⁻ ））以及使用具有合适晶格结构的籽晶来模板化生长（如二维钙钛矿）来实现。然而，这些方法通常会通过残留的组成添加剂在 FAPbI₃ 中引入额外的不稳定性因素，可能会导致阳离子 - 阴离子分离（例如， FA⁺/MA⁺ 、 I⁻/Cl⁻ ）、热分解（如 MA⁺ ），甚至 FA⁺ 与路易斯碱（如铵基团）之间的亲核反应。此外，用于通过缓解晶格应变来制备纯 α-FAPbI ₃ 的制造技术（如溶剂退火、湿气诱导的相变和红外热退火）与合金化钙钛矿相比可能表现出不尽人意的性能，可能是因为它们的薄膜质量较差。

主要内容

本文通过一种碘插层 - 脱层策略来制备高质量、非合金化的 α-FAPbI ₃ 钙钛矿薄膜。共生成的挥发性添加剂碘（ I ₂ ）通过与碘离子反应形成多碘化物（如 I ₃ ^- ），特别是钙钛矿 - 碘复合物中间体，从而改变了反应路径。这些中间体为 α-FAPbI₃ 钙钛矿的形成提供了足够的角共享 Pb - I 框架构建块，并降低了反应活化能。在退火过程中，碘可以从最终薄膜中逸出，不留残留添加剂，从而获得均匀性和晶体质量增强的薄膜。采用这种非合金化 α-FAPbI₃ 的太阳能电池 PCEs > 24% 。此外，改进的 PSCs 展现出出色的运行稳定性，在运行 1180 小时（ 100 mW cm ^-2 ， 85°C ）后仍保持其初始 PCE 的 99% 。这项研究突出了非合金化 FAPbI₃ （不含其他离子如 MA⁺ 、 Cs⁺ 、 Br⁻ 和 SCN⁻ ）对于钙钛矿材料固有稳定性的重要性，并阐明了碘化学如何动态调制亚稳态钙钛矿以及其他具有软离子晶格的光电子材料的形成路径。

图 1 ：非合金 α-FAPbI ₃ 碘介导形成的设计原理和概念验证 。

图 2 ：碘介导的 FAPbI ₃ 薄膜形成机制 。

图 3 ： 薄膜质量和稳定性 。

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