北大最新Science：晶體封蓋層用于在潮濕空氣中形成黑相FAPbI3鈣鈦礦

一、 【科學背景】

基于黑相甲脒碘化鉛 (α-FAPbI₃) 的鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 具有1.5 eV 的最佳帶隙，并實現了26.1%的功率轉換效率。溶劑工程在獲得高質量薄膜方面至關重要，通常使用揮發性和高沸點溶劑形成中間體復合物，促進結晶并防止光惰性相的形成。然而，這一工藝需要在嚴格控制濕度的惰性氣體或干燥空氣中進行，未密封的α-FAPbI₃ PSC在高濕度條件下的重現性和穩定性仍然具有挑戰性。

二、【科學貢獻】

近日，北京大學肖立新和洛桑聯邦理工大學Michael Gr?tzel&魏明楊團隊在Science發表了題為“A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI3 perovskite in humid air”的論文。他們發現，傳統的鈣鈦礦制造溶劑系統加劇了重現性問題。由于二甲基亞砜 (DMSO) 的吸濕性，常規配位溶劑 DMSO 在高相對濕度 (RH) 條件下促進了δ-FAPbI₃的形成。他們引入了含氯有機分子形成封蓋層，阻止了水分滲透，同時保留了DMSO基復合物以調節晶體生長。報告了在相對濕度范圍20%到60%內制造的鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率超過24.5%，在80%相對濕度下達到了23.4%。未封裝的設備在空氣中（相對濕度40%到60%）最大功率點運行500小時后，保留了96%的初始性能。

圖1：中間薄膜在潮濕空氣中的動態轉化。? 2024 Science

圖2. 具有原位形成封蓋層的中間薄膜。? 2024 Science

圖3. 兩步法工藝中的結晶動力學。? 2024 Science

圖4. 鈣鈦礦薄膜的光物理特性。? 2024 Science

圖5. 使用CL策略的PSC性能、重現性和穩定性。? 2024 Science

三、【創新點】

1.引入了含氯有機分子形成封蓋層的策略，有效阻止了水分滲透，同時保留了DMSO基復合物以調節晶體生長。

2.報告了在相對濕度范圍20%到60%內制造的鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率超過24.5%，在80%相對濕度下達到了23.4%。

3.未封裝的設備在空氣中（相對濕度40%到60%）最大功率點運行500小時后，保留了96%的初始性能。

四、【科學啟迪】

使用DMF-DMSO共溶劑系統是制備α-FAPbI₃鈣鈦礦最常見的方法，但在高于60%相對濕度條件下存在重現性挑戰。先前的策略主要集中在減少鈣鈦礦本身的水合作用。本研究發現，DMSO的吸濕性質促進了水分滲透到中間膜中，進而在潮濕空氣中促使d-FAPbI₃雜質相的形成。僅僅去除DMSO并非可行解決方案，因為它在通過分子間交換控制晶體生長中起著重要作用。本研究開發了一種晶體封蓋層（CL）策略，利用氯化p-自由基，通過其疏水和均勻特性最小化水分滲透，同時保留了中間膜中的DMSO-PbI2復合物。在相對濕度從20%到60%的范圍內，實現了超過24.5%的PSC功率轉換效率，并在80% RH條件下達到了23.5%。此外，在環境條件下（RH 40%到60%）進行最大功率點操作時，未封裝的器件表現出了500小時的穩定運行。

原文詳情：Yu Zou et al. ,A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI3 perovskite in humid air.Science385,161-167(2024).

DOI:10.1126/science.adn9646

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