頂刊收割機，鈣鈦礦領域今年已發表8篇Nature/Science,?Sargent等大牛引領明星材料里程碑式突破

有機-無機鹵化物鈣鈦礦（OIHP）材料有較高的吸收系數，較長的載流子擴散長度，可調的帶隙，雙極性的電荷傳輸，較低的激子束縛能和較高的電荷壽命等優異性能。過去十多年，有機-無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率（PCE）呈現爆炸性增長，引起了研究者的極大關注，美國國家可再生能源實驗室（NREL）出具的最新光電轉換效率的認證數值已達到25.20%，出色的光電轉換效率證明鈣鈦礦已經成為最有潛力的光伏材料之一。下面我們總結了今年Science和Nature雜志上關于鈣鈦礦太陽能電池的里程碑式成果，和大家一起交流探討。

1、Nature: 鹵化物鈣鈦礦的應變工程和外延穩定性的研究

美國加州大學圣地亞哥分校徐升教授團隊報道了鹵化物鈣鈦礦單晶薄膜在晶格不匹配的鹵化物鈣鈦礦襯底上的應變外延生長研究。研究人員通過使用實驗技術和理論計算這兩種操作相結合的方法來研究α-FAPbI₃的應變工程。通過調整基質組成和相應的晶格參數可使高達2.4%的壓縮應變應用于外延α-FAPbI₃薄膜上。該研究證明應變工程有效地改變了晶體結構，減少了能帶和增加了α-FAPbI₃的空穴遷移率。由于外延穩定和應變工程的協同效應，也顯示出對α-FAPbI₃顯著增強的穩定作用。因此，應變工程可應用于增強基于α-FAPbI₃光電探測器的性能。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1868-x

2、Nature：鈣鈦礦太陽能電池裝置上的鉛隔離

美國國家可再生能源實驗室的朱凱教授和北伊利諾伊大學徐濤教授團隊將透明的吸收鉛的DMDP膜沉積在玻璃上。DMDP膜不溶于水，但具有良好的透水性。這樣，當水滲入設備時，功能性膦酸基團可以有效吸收水中的Pb²⁺。研究人員在背面使用了預干燥膜，其中包含強商品鉛-螯合劑EDTMP摻入主體聚合物基質中，以確保單獨使用螯合劑或形成的鉛螯合復合物不能用水沖洗。研究人員研究了在約50°C的空氣中模擬的1太陽光照射強度下，這些設備在連續操作下的長期穩定性。連續運行約500小時后未觀察到設備性能的差異。這些結果表明，使用鉛吸收層（尤其是DMDP膜）不會對設備性能和長期運行穩定性產生不利影響。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2001-x

3、Science：高效鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池，25.7%效率！

加拿大多倫多大學Edward H. Sargent 教授和阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf教授團隊將可溶液處理的、微米厚的、寬禁帶的鈣鈦礦太陽能頂部電池與完全紋理化的硅異質結底部電池相結合。這種方法在硅中實現了三倍的損耗寬度，改進了載流子收集。此外，研究人員通過在鈣鈦礦表面錨定一種鈍化劑(1-丁硫醇)，增強了擴散長度，進一步抑制了相分離。這些協同增強技術使認證的鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的能量轉換效率達到25.7%。在85°C的400小時熱穩定性測試和40°C的最大功率點跟蹤400小時后，這些器件設備的性能損失幾乎可以忽略不計。

文獻鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135

4、Science：高效鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池，27%效率！

美國科羅拉多大學Michael?D.?McGehee教授和中國科學技術大學徐集賢教授報道了通過使用三鹵化物?(氯、溴、碘)來調節帶隙并在光照下穩定半導體的具有1.67電子伏特寬帶隙的高效鈣鈦礦頂部電池。研究人員發現光載流子壽命和電荷載流子遷移率增加了2倍，這是由于氯的溶解度增加了，用溴取代了一部分碘來減小晶格參數。研究人員觀察到，即使在100倍光照強度下，薄膜中的光誘導相分離也會被抑制，在60°C下，經過1000小時的最大功率點(MPP)操作后，半透明頂電池的降解率也不到4%。通過將這些頂部電池與硅底部電池集成，在面積為1平方厘米的兩端單片串聯太陽能電池中實現了27%的效率。

文獻鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097

5、Science：金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池中陷阱態的空間和能量分布的研究

美國北卡羅來納大學黃勁松教授團隊報道了金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池中陷阱態的空間和能量分布的研究概述。研究人員證明驅動級電容剖面(DLCP)方法，一種基于電容的替代技術，可以提供鈣鈦礦中載流子和陷阱密度的特征空間分布。研究人員繪制了鈣鈦礦單晶和多晶薄膜中陷阱態的空間和能量分布。然后對典型的平面結構太陽能電池中鈣鈦礦單晶和薄膜中的陷阱密度和分布進行了直接的比較。單晶中陷阱密度變化較大，且大部分深陷阱位于晶體表面。多晶薄膜界面的電荷陷阱密度比薄膜內部大一到兩個數量級，并且薄膜內部陷阱密度仍然比高質量的單晶大兩到三個數量級。需要注意的是，表面鈍化后，在鈣鈦礦和空穴輸運層的界面附近發現了大部分的深陷阱，那里有大量的納米晶體嵌入，限制了太陽能電池的效率。

文獻鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352

6、Science：基于陰離子工程的鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池實現26.7％效率！

美國國家可再生能源實驗室的朱凱教授團隊、韓國首爾大學Jin Young Kim團隊和韓國科學技術院Byungha Shin團隊使用硫氰酸鹽(SCN)和傳統的碘的混合物開發了2D-3D混合寬禁帶(1.68 eV)鈣鈦礦。通過使用原子分辨透射電子顯微鏡(TEM)，研究人員證明了利用2D添加劑的陰離子工程可以控制2D鈍化層的電輸運特性和電荷輸運特性。此外，可以利用這種方法來擴展光穩定性和提高設備性能。對于鈣鈦礦器件設備，實現了20.7%的光電轉換效率，在工作條件下連續光照1000小時后，保持了大于80%的初始效率。制備的兩端單片鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池獲得26.7％的效率，且具有優異的穩定性。

文獻鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/25/science.aba3433

7、Nature：限制鹵化物鈣鈦礦器件的性能的晶界處納米級陷阱簇的研究

英國劍橋大學Samuel D. Stranks教授團隊和日本沖繩科技大學院大學Keshav M. Dani教授團隊使用光電子顯微鏡成像技術對鹵化物鈣鈦礦薄膜的陷阱分布進行研究。在光致發光效率較差的區域內，研究人員觀察到的不是一個相對均勻的分布，而是離散的納米級團簇。通過將顯微鏡測量與掃描電子分析技術相結合，研究人員發現這些陷阱團簇出現在晶體學上和組成上截然不同的體相間的界面上。最后，通過生成光激發載流子捕獲過程的時間分辨光發射序列，研究人員揭示了動力學受限于空穴向局域陷阱簇擴散的空穴捕獲特征。該研究表明，在納米尺度上調控結構和組成對于實現鹵化物鈣鈦礦器件的最佳性能具有重要意義。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2184-1

8.二維鹵化物鈣鈦礦橫向外延異質結構

美國普渡大學的Brett M. Savoie、竇樂添以及上海科技大學的于奕（共同通訊作者）等人在異質結領域取得重要進展，首次制備了二維鹵化物鈣鈦礦外延異質結。研究通過吸收π共軛的有機配體來有效抑制面內二維鹵化物鈣鈦礦的面內離子擴散行為，并進而展示了高度穩定、可調的橫向外延異質結構。通過高分辨的TEM手段，研究還揭示了近原子級界面及其外延生長。最后，分子動力學模擬進一步確認了異質結的無序狀態明顯改善、以及更大的空穴形成能。研究認為，這些發現為理解鹵化物鈣鈦礦的穩定性以及制備更精巧復雜的超薄材料奠定了基礎。2020年04月29日，相關成果以題為“Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures”的文章在線發表在Nature上。

文獻鏈接：Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2219-7）

本文由eric供稿。

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