西湖大学最年轻博导王睿再发Nature

作为一种高效的光伏材料，甲酰胺碘化铅(FAPbI3)钙钛矿的黑色相显示出巨大的前景，但在室温下，它不受能量的影响，这意味着在结晶过程中，不需要的黄色相总是存在于它旁边。这个问题使得制定钙钛矿的快速结晶过程和制定控制黑相FAPbI3形成的指导方针变得困难。

2023年6月21日，西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶、加利福尼亚大学杨阳及瑞士洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin共同通讯在Nature在线发表题为“Oriented nucleation in formamidinium perovskite for photovoltaics”的研究论文，该研究报告了一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法。该机制可以帮助避免不良相的存在，并提高光伏器件在不同薄膜加工场景下的性能。该器件的功率转换效率为25.4%(经认证为25.0%)，该模块的面积为27.83 cm2，经认证的孔径效率为21.4%。

另外，2022年3月15日，加州大学洛杉矶分校杨阳，西湖大学王睿（西湖大学工学院助理教授，独立PI，1993年生，成为西湖大学最年轻博导）及韩国成均馆大学Jin-Wook Lee共同通讯在Nature 在线发表题为“Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics”的研究论文，该研究表明表面处理可能会引起负功函数偏移（即更多的 n 型），这会激活卤化物迁移以加剧 PSC 不稳定性。因此，尽管表面钝化具有有益效果，但这种有害的副作用限制了以这些方式处理的 PSC 可获得的最大稳定性改进。这种有利和不利影响之间的权衡应指导通过表面处理提高 PSC 稳定性的进一步工作（点击阅读）。

FAPbI3具有令人印象深刻的带隙和热阻，因此成为最有希望用作光伏器件的候选钙钛矿。然而，在室温下，FAPbI3的光活性黑色相在能量上并不有利。多型形成和其他中间非光活性相的存在很容易发生，这破坏了其光伏性能。为了促进黑相FAPbI3在室温下的形成，已经开发了几种方法，如与PbI2形成加合物和使用离子液体的溶剂工程。遗憾的是，FAPbI3钙钛矿的快速结晶动力学阻碍了对其成膜过程的深入研究。其结晶过程中相演化的微观机制尚未明确定义。这种信息的缺乏阻碍了FAPbI3钙钛矿高效吸收剂的膜处理方法的更合理和有针对性的设计的发展，特别是针对不同的膜处理方案，如一步和两步膜沉积方案以及小和大面积装置。在一种加工场景中促进黑相FAPbI3形成的策略在其他情况下通常会失败。

该研究观察到一种定向成核机制，这种机制源于特定晶体平面表面能的降低，这使人们能够避免FAPbI3的黄相，并控制黑相FAPbI3的形成。该研究验证了不同薄膜沉积方法的机理，发现它可以应用于提高小面积器件和太阳能组件的性能。

室温下黑相FAPbI3的直接形成及其驱动力（图源自Nature ）

在钙钛矿薄膜的两步沉积方案中，PbI2和有机卤化物前体依次沉积，在室温下总是观察到中间非光活性相。沉积的钙钛矿薄膜在室温下的X射线衍射(XRD)。黑色相的衍射峰对应于(100)面，并伴有六角形钙钛矿多型2H和6H中间相的衍射峰。在有机阳离子前驱体中加入盐酸戊脒(PAD)，消除了中间相。利用密度泛函理论计算和傅里叶变换红外光谱(FTIR)研究了PAD如何与Pb-I框架相互作用。PAD带正电的偕胺头能够通过静电和氢键相互作用锚定在黑相钙钛矿的八面体腔中。与PbI2混合后，在PAD的FTIR光谱中可以看到C=N和N-H振动的峰移，证实了PAD与Pb-I框架通过酰胺单元之间的强相互作用。这种相互作用暴露了PAD的疏水烷基链，使其有序地堆叠在黑相钙钛矿(100)平面上。结果表明，与其他平面相比，当平面被PAD终止时，钙钛矿(100)平面的表面能下降最多(从3.16 eV下降到1.14 eV，下降了64%)。

二维钙钛矿相的形成证实了这种相互作用的构型，用XRD对用PAD制备的钙钛矿膜进行了表征。钙钛矿相的尺寸减小证明了(100)平面的表面能极低。这种热力学驱动力导致黑相钙钛矿的(100)取向优先形成，决定了黑相钙钛矿的结晶织构，促进了黑相钙钛矿晶体的形成。相比之下，没有PAD的相变过程能量分布相对均匀，导致多个相和取向并存。

本项研究的第一作者为西湖大学和浙江大学联合培养的博士研究生石鹏举，丁勇、丁斌、邢奇宇为共同第一作者。西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶、加利福尼亚大学洛杉矶分校UCLA Yang Yang和洛桑联邦理工学院EPFL Mohammad Khaja Nazeeruddin为共同通讯作者。劳伦斯伯克利实验室、华北电力大学、复旦大学、马尔马拉大学为合作单位。该工作受到了西湖大学未来产业研究中心、西湖大学物质科学和分子科学实验平台以及白马湖实验室的支持。

原文链接：

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

转自：“iNature”微信公众号

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