最新Science：鈣鈦礦太陽能電池最新進展

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一、【科學背景】

甲脒碘化鉛（FAPbI₃）是一種常用于光伏器件的鈣鈦礦材料，其中甲脒（FA）、甲基胺（MA）和銫離子（Cs⁺）是常用的A位陽離子。與MA相比，FA表現出更低的帶隙（E_g）、改善的光電特性和更高的熱穩定性。FA陽離子的較大尺寸導致FAPbI₃形成Pm3m立方鈣鈦礦晶格，而不是較低對稱性的MAPbI₃四方晶格。FAPbI₃的較低E_g值源于Pb 6s-I 5p軌道的高度重疊和八面體傾斜的減少。FAPbI₃的晶格呈現多態網絡結構，高對稱結構源于隨機分布的局部較低對稱（扭曲）結構基元。FAPbI₃的α相（即黑相）在室溫下的平均晶格參數值范圍為6.352至6.365?，其高對稱性犧牲了相穩定性。通過在A位合金化FA與Cs、MA或兩者，可以降低FAPbI₃的有效A位半徑，提高室溫下的相穩定性，但會導致帶隙擴大。

二、【創新成果】

近日，美國萊斯大學的Aditya D. Mohite教授和法國國立應用科學院的Jacky Even教授通過在FAPbI3前體溶液中引入預合成的二維鈣鈦礦種子，在較低溫度下實現黑相FAPbI₃的形成。在薄膜形成過程中，由于其較低的生成焓和在室溫下的穩定性，2D鈣鈦礦首先成核，然后在2D結構上形成3D鈣鈦礦，從而實現了在2D相上的優先生長3D鈣鈦礦。最終得到的FAPbI₃薄膜表現出較低的能隙（E_g）以及在惡劣條件下的優異的耐久性，實現了在0.5cm²器件面積上24.1%的光電轉換效率。這一研究成果驗證了利用二維鈣鈦礦模板生長3D鈣鈦礦的新設計策略，為未來的研究和應用提供了新的可能性。該項工作在Science上發表，題為“Two-dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells”。

圖1 FAPbI₃二維鈣鈦礦晶格模板的設計原理和概念驗證 @2024 AAAS

圖2 二維穩定的FAPbI₃成膜機制 @2024 AAAS

圖3 相穩定的FAPbI₃薄膜的非原位結構表征 @2024 AAAS

圖4 相穩定的FAPbI₃薄膜的光學特性 @2024 AAAS

圖5 2D穩定的FAPbI₃器件性能 @2024 AAAS

三、【科學啟迪】

該成果實現了一種新穎的方法，在比δ-FAPbI₃到α-FAPbI₃轉變溫度低得多的條件下實現FAPbI₃的高度穩定的黑相。通過詳細的表征，包括相關的WAXS、光吸收和光致發光，表明所得的黑相FAPbI₃表現出與底層二維鈣鈦礦的d(011)面間距相對應的晶格常數。最終得到的FAPbI₃薄膜表現出1.48 eV的能隙，并在惡劣條件下表現出異常的耐久性，在0.5 cm²器件面積上以p-i-n器件結構實現了驚人的24.1%的光電轉換效率。這些結果證明了一種利用2D鈣鈦礦生長3D鈣鈦礦的新設計策略。預計這種策略可能不僅限于鈣鈦礦，還可能利用具有可比較晶格常數的其他分子和有機系統來生產外延動力學穩定的材料。
原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6993