有机阳离子掺杂，提高了钙钛矿太阳电池材料的稳定性

混合钙钛矿是一种有效且相对便宜的太阳能电池材料，但在稳定性方面落后于硅。粉色和灰色成分代表结合了有机阳离子的无机钙钛矿骨架。

KAUST研究人员预测，扩大包含钙钛矿型太阳能材料的有机成分的列表可以提高其长期稳定性和性能。

钙钛矿最近在太阳能材料研究中备受关注，因为它们可以几乎像传统的硅太阳能电池一样高效地收集太阳能，并且更便宜、更容易生产。钙钛矿仍然落后于硅的领域之一是其长期稳定性。现在，来自KAUST太阳能中心的乌多·施温根施洛格(Udo Schwingenschlgl)和他的博士生亚历山德拉·奥兰斯卡亚(Aleksandra Oranskaia)找到了可能的解决方案。

研究最多的太阳能钙钛矿包括带负电的卤化铅无机骨架，以及带正电的有机阳离子，例如甲胺根(MA，methylammonium)或甲脒根(FA，Formamidinium)。这些原子以高度规则的顺序结合。卤化铅组分主要负责与光的相互作用，而有机组分更多的起支撑作用，提供结构稳定性。但是，这些材料相对较差的稳定性仍然限制了它们的商业开发。

使用计算模型，奥兰斯卡亚和施温根施洛格检查了太阳能钙钛矿材料的有机成分，寻找提高FA铅卤化物钙钛矿稳定性的方法。“我们的动机是将新的计算方法应用于钙钛矿太阳能电池领域最热门的问题之一。”奥兰斯卡亚说。

实验研究表明，基于FA的钙钛矿比MA更稳定。因此，研究小组首先比较了MA和FA的键合强度，重点是非共价键合形式，例如氢键合。然后，他们研究了在FA铅卤化物钙钛矿结构中添加其他有机“掺杂剂”是否可以进一步增强稳定性。

施温根施洛格说：“我们首次证明了有机阳离子的非共价键结合强度可用于改善杂化钙钛矿材料。”。尽管共价键最强，但其他类型(包括有机阳离子掺杂剂和卤化铅组分之间的氢键和卤素键)有助于稳定钙钛矿结构。

“我们证明，掺杂适当体积和形状的有机阳离子(那些通过氢键和卤素键比FA更牢固地键合到无机骨架上的有机阳离子)可以稳定材料，”奥兰斯卡亚说。具有共价和非共价键的氯原子或离子的有机阳离子被证明是特别有效的：它们有助于抑制破坏性的卤化物运动(称为X迁移)。施温根施洛格说：“这提供了提高卤化铅太阳能电池性能的策略。”。

施温根施洛格补充说，该小组的下一个计划是研究非共价相互作用对其他太阳能相关材料的相稳定性的影响。