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  • 發布時間:2023-06-22 23:29 原文鏈接: 西湖大學最年輕博導王睿再發Nature

    作為一種高效的光伏材料,甲酰胺碘化鉛(FAPbI3)鈣鈦礦的黑色相顯示出巨大的前景,但在室溫下,它不受能量的影響,這意味著在結晶過程中,不需要的黃色相總是存在于它旁邊。這個問題使得制定鈣鈦礦的快速結晶過程和制定控制黑相FAPbI3形成的指導方針變得困難。

    2023年6月21日,西湖大學王睿、浙江大學薛晶晶、加利福尼亞大學楊陽及瑞士洛桑聯邦理工學院Mohammad Khaja Nazeeruddin共同通訊在Nature在線發表題為“Oriented nucleation in formamidinium perovskite for photovoltaics”的研究論文,該研究報告了一種新的甲脒鉛碘鈣鈦礦取向成核方法。該機制可以幫助避免不良相的存在,并提高光伏器件在不同薄膜加工場景下的性能。該器件的功率轉換效率為25.4%(經認證為25.0%),該模塊的面積為27.83 cm2,經認證的孔徑效率為21.4%。

    另外,2022年3月15日,加州大學洛杉磯分校楊陽,西湖大學王睿(西湖大學工學院助理教授,獨立PI,1993年生,成為西湖大學最年輕博導)及韓國成均館大學Jin-Wook Lee共同通訊在Nature 在線發表題為“Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics”的研究論文,該研究表明表面處理可能會引起負功函數偏移(即更多的 n 型),這會激活鹵化物遷移以加劇 PSC 不穩定性。因此,盡管表面鈍化具有有益效果,但這種有害的副作用限制了以這些方式處理的 PSC 可獲得的最大穩定性改進。這種有利和不利影響之間的權衡應指導通過表面處理提高 PSC 穩定性的進一步工作(點擊閱讀)。

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    FAPbI3具有令人印象深刻的帶隙和熱阻,因此成為最有希望用作光伏器件的候選鈣鈦礦。然而,在室溫下,FAPbI3的光活性黑色相在能量上并不有利。多型形成和其他中間非光活性相的存在很容易發生,這破壞了其光伏性能。為了促進黑相FAPbI3在室溫下的形成,已經開發了幾種方法,如與PbI2形成加合物和使用離子液體的溶劑工程。遺憾的是,FAPbI3鈣鈦礦的快速結晶動力學阻礙了對其成膜過程的深入研究。其結晶過程中相演化的微觀機制尚未明確定義。這種信息的缺乏阻礙了FAPbI3鈣鈦礦高效吸收劑的膜處理方法的更合理和有針對性的設計的發展,特別是針對不同的膜處理方案,如一步和兩步膜沉積方案以及小和大面積裝置。在一種加工場景中促進黑相FAPbI3形成的策略在其他情況下通常會失敗。

    該研究觀察到一種定向成核機制,這種機制源于特定晶體平面表面能的降低,這使人們能夠避免FAPbI3的黃相,并控制黑相FAPbI3的形成。該研究驗證了不同薄膜沉積方法的機理,發現它可以應用于提高小面積器件和太陽能組件的性能。


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    在鈣鈦礦薄膜的兩步沉積方案中,PbI2和有機鹵化物前體依次沉積,在室溫下總是觀察到中間非光活性相。沉積的鈣鈦礦薄膜在室溫下的X射線衍射(XRD)。黑色相的衍射峰對應于(100)面,并伴有六角形鈣鈦礦多型2H和6H中間相的衍射峰。在有機陽離子前驅體中加入鹽酸戊脒(PAD),消除了中間相。利用密度泛函理論計算和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)研究了PAD如何與Pb-I框架相互作用。PAD帶正電的偕胺頭能夠通過靜電和氫鍵相互作用錨定在黑相鈣鈦礦的八面體腔中。與PbI2混合后,在PAD的FTIR光譜中可以看到C=N和N-H振動的峰移,證實了PAD與Pb-I框架通過酰胺單元之間的強相互作用。這種相互作用暴露了PAD的疏水烷基鏈,使其有序地堆疊在黑相鈣鈦礦(100)平面上。結果表明,與其他平面相比,當平面被PAD終止時,鈣鈦礦(100)平面的表面能下降最多(從3.16 eV下降到1.14 eV,下降了64%)。

    二維鈣鈦礦相的形成證實了這種相互作用的構型,用XRD對用PAD制備的鈣鈦礦膜進行了表征。鈣鈦礦相的尺寸減小證明了(100)平面的表面能極低。這種熱力學驅動力導致黑相鈣鈦礦的(100)取向優先形成,決定了黑相鈣鈦礦的結晶織構,促進了黑相鈣鈦礦晶體的形成。相比之下,沒有PAD的相變過程能量分布相對均勻,導致多個相和取向并存。
    本項研究的第一作者為西湖大學和浙江大學聯合培養的博士研究生石鵬舉,丁勇、丁斌、邢奇宇為共同第一作者。西湖大學王睿、浙江大學薛晶晶、加利福尼亞大學洛杉磯分校UCLA Yang Yang和洛桑聯邦理工學院EPFL Mohammad Khaja Nazeeruddin為共同通訊作者。勞倫斯伯克利實驗室、華北電力大學、復旦大學、馬爾馬拉大學為合作單位。該工作受到了西湖大學未來產業研究中心、西湖大學物質科學和分子科學實驗平臺以及白馬湖實驗室的支持。

    原文鏈接:
    https://www.nature.com/articles/s41586-023-06208-z




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