登上央视！南工大&西工大《Science》实现光伏领域重大突破！

视频来源：打量视频、央视新闻

黑相甲酰胺碘化铅(α-FAPbI₃)钙钛矿，在各种环境条件下的稳定，被认为是太阳能电池的必要条件之一。然而，在α-FAPbI₃的温度敏感性，和其加工过程中严格控制湿度的要求方面，仍然存在挑战。

在此，来自南京工业大学的陈永华&西北工业大学的黄维院士等研究者，报道了不需考虑湿度和温度的稳定α-FAPbI₃的合成，基于从离子液体甲酸甲胺中，生长的垂直取向的碘化铅薄膜。研究成果解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题，实现了光伏领域的重大突破，央视新闻对此也进行了报道。相关论文以题为“Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity”发表在Science上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1359

央视报道截图

卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)的高功率转换效率(PCE)，归功于其高载流子迁移率、活性层材料的扩散长度和可调节的带隙等特点。黑相甲酰胺铅碘(α-FAPbI₃)具有最窄的带隙(薄膜为1.45~1.51 eV)。在环境条件下，由于大尺寸的FA⁺会引起晶格畸变，该相容易转变为宽带隙黄色非钙钛矿相(δ-FAPbI₃)，因此，人们已经开发出稳定α-FAPbI₃钙钛矿薄膜的途径。

其中一些方法涉及，将阳离子、阴离子或两者混合形成杂化甲酰胺钙钛矿，如FA_xMA_1-x双阳离子；FA_1−x−yMA_xCs_y三重阳离子；甚至还有FA⁺， MA⁺， Rb⁺， Cs⁺，SCN^-和Br^-多重阳离子-阴离子杂化。虽然这些修饰，提高了PCEs的稳定性和增强，但高质量的钙钛矿和钙钛矿中间薄膜，必须在惰性气氛中处理，并严格控制温度和相对湿度(RH)。这些要求，极大地限制了PSCs的生产和应用。前驱体，在普通溶剂和薄膜中的相互作用，导致了稳定性问题。这些相互作用，控制钙钛矿片段的组装，并影响框架的稳定性和性能。

在此，研究者报道了一种在制备过程中，对环境不敏感的稳定黑相α-FAPbI₃的合成。以离子液体甲酸甲胺(MAFa)为原料，制备了垂直取向的碘化铅(PbI₂)薄膜。与常用溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)不同，MAFa溶剂通过C=O···Pb螯合和N-H··I氢键与PbI₂的强相互作用，促进了其相对于底物的垂直生长。碘化甲酰胺(FAI)可以，通过原位形成离子通道，进入PbI2薄膜，显著降低了薄膜的形成能垒。无论RH(20~90%)和温度(25°~100°C)，α-FAPbI₃都能快速转变为稳定的黑相α-FAPbI₃。在环境空气中，研究者实现了>24%的PCE, 93%的初始效率保留高达5000小时(在充氮手套箱下)，500小时的热稳定性(80%的初始效率保留在85°C)，以及在连续光应力下的稳定性(90%的初始效率，在最大功率点运行500小时以上)。

图1 前驱体在不同溶剂中的化学环境。

图2 控制尺寸的固态NCT超晶格多面体的形成。

图3 从PbI₂@DMF:DMSO和PbI₂@MAFa薄膜中获得FAPbI₃的结构表征。

图4 光伏设备的性能。

FAPbI₃@MAFa设备，在装满氮气的手套箱中储存5000小时后，保留了原有PCE的93%。这一结果与FAPbI₃@DMF:DMSO设备形成对比，该设备仅在500小时内，发生了30%的PCE损失(图4B)。此外，研究者进行了设备热稳定性在85 ℃富N₂手套箱(图4 C)，发现的平均PCE FAPbI₃@MAFa设备的初始效率维持在80%~500小时富N₂手套箱,而严重的PCE FAPbI₃@DMF减少观察：DMSO设备在150小时后，剩下45%。

PbI₂@MAFa薄膜的高稳定性，归因于垂直方向的晶体生长，为第二步的快速反应提供了离子通道，从而生成了稳定的α-FAPbI₃钙钛矿薄膜。（文：水生）