黃勁松Science Advance：鈣鈦礦太陽能電池的不穩定的內在原因-鈣鈦礦晶格的殘余應變力

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池的效率在短時間內已經高達22%，但是其穩定性問題一直沒有得到很好的解決，嚴重阻礙了其商業化進程。雖然發展了一系列的封裝技術可以減緩鈣鈦礦太陽電池的衰減速度，但是這為商業化增加了很大的基礎成本。搞清楚鈣鈦礦電池不穩定性的本質原因是解決其穩定性問題的關鍵。然而，該類的研究少之又少。

【成果簡介】

近日，內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授等人在Science Advance上發表了一篇名為“Strained hybrid perovskite thin films and their impact on the intrinsic stability of perovskite solar cells”的文章。該文章揭示了鈣鈦礦太陽能電池不穩定性的源頭，該源頭是由于鈣鈦礦薄膜層存在殘余應變力，這種殘余應變力會加快鈣鈦礦的降解從而導致器件不穩定。

【圖文簡介】

圖1：應力表征

(a). 退火、未退火、刮粉和單晶的MAPbI₃對應的面外XRD譜；

(b). 退火后MAPbI₃薄膜的面外和面內的XRD，單晶MAPbI₃的面外的XRD；

(c, d). 面內和面外XRD示意圖。

圖2：應力形成過程的XRD與示意圖

(a). 無襯底時，在100°C形成的鈣鈦礦在冷卻過程中垂直和橫向收縮;

(b). 退火后的鈣鈦礦膜因與襯底結合智能垂直收縮；

(c, d). 刮粉鈣鈦礦與鈣鈦礦薄膜的原位XRD測試。

圖3：應力對鈣鈦礦薄膜穩定性的影響

(a). 不同應變力膜的實驗裝置示意圖，以及500小時光照后對應的圖片；

(b). 上述三種鈣鈦礦薄膜對應的面外XRD譜。

圖4：ITO玻璃上的鈣鈦礦薄膜的應力與降解

(a, b). 退火后的ITO(a)與玻璃(b)襯底上鈣鈦礦薄膜XRD譜隨光照時間的變化；

(c，d). 退火后的ITO(c)與玻璃(d)襯底上鈣鈦礦薄膜的應力與降解程度隨光照時間的變化。

圖5：鈣鈦礦薄膜在不同應力下的離子遷移活化能

(a-c). 凸、平、凹三種鈣鈦礦薄膜的電導率隨溫度的變化；

(d). 鈣鈦礦薄膜在不同應力下的的離子遷移活化能的變化曲線。

【小結】

該研究發現，鈣鈦礦材料與基底材料熱膨脹系數失配導致的晶格應變力是影響鈣鈦礦太陽能電池穩定性的重要原因。這種殘余應變力是鈣鈦礦薄膜制備中的退火過程造成的，會加速鈣鈦礦的分解。因此，使用低溫鈣鈦礦薄膜形成技術或者使用與鈣鈦礦熱膨脹系數相匹配的襯底可以減少應變的產生從而增強鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。該研究為增強鈣鈦礦器件的固有穩定性提供了一條有效的途徑。

文獻鏈接：Strained hybrid perovskite thin films and their impact on the intrinsic stability of perovskite solar cells (Science Advance, 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao5616)

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