黃維院士最新Science：在室溫高濕條件下穩定黑相甲酰胺鈣鈦礦的形成

木文韜 2年前 (2021-03-26) 10267瀏覽

【引言】

鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的高功率轉換效率（PCE）歸功于其高載流子遷移率和擴散長度以及活性層材料的可調節帶隙。黑相甲酰胺鉛碘（α-FAPbI₃）的帶隙最窄（薄膜中為1.45 ~ 1.51 eV）。在環境條件下，由于大尺寸的FA⁺會引起晶格畸變，該相容易轉變為寬帶隙黃色非鈣鈦礦相（δ-FAPbI₃），因此已經開發出穩定α-FAPbI₃鈣鈦礦薄膜的方法。其中一些方法涉及混合其他陽離子、陰離子或兩者混合以形成雜化甲酰胺鈣鈦礦，如FA_xMA_1-x雙重陽離子；FA_1-x-yMA_xCs_y三重陽離子；甚至FA⁺、MA⁺、Rb⁺、Cs⁺、SCN^-和Br^-多種陽離子-陰離子雜化。雖然這些改性提高了PCEs的穩定性和增強，但高質量的鈣鈦礦和鈣鈦礦中間薄膜必須在惰性氣氛中處理，并嚴格控制溫度和相對濕度（RH）。這些要求極大地限制了PSCs的生產和應用。前驅體在常用溶劑和薄膜中的相互作用起到了穩定作用。這些相互作用控制鈣鈦礦片段的組裝，并影響框架的穩定性和性能。

【成果簡介】

今日，在南京工業大學、西北工業大學、南京郵電大學黃維院士和南京工業大學陳永華教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，報道了一種穩定的黑相α-FAPbI₃的合成，在其制備過程中對環境條件不敏感。以離子液體甲酸甲胺（MAFa）為原料，制備了垂直取向的碘化鉛（PbI₂）薄膜。與常用溶劑N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）不同，MAFa溶劑通過C=O···Pb螯合和N-H···I氫鍵與PbI₂的強相互作用，促進了PbI₂相對于底物的垂直生長。甲脒碘（FAI）可以通過原位形成離子通道進入PbI₂薄膜，顯著降低了薄膜的形成能壘。無論RH（20 ~ 90%）和溫度（25°~ 100°C）， α-FAPbI₃都能快速轉變為穩定的黑相α-FAPbI₃。團隊在環境空氣中實現了大于24%的PCE，在充氮手套箱5000小時可以保持93%的初始效率，熱穩定性達500小時（在85°C保持80%的初始效率），穩定連續光脅迫下（在最大功率點運行500小時后，仍保持了90％的初始效率）。相關成果以題為“Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity”發表在了Science。