物质科学
Physical science
上海科技大学宁志军课题组在Cs0.15FA0.85PbI3晶粒表面制备了CsPbI3富集的准无机壳层结构，该异质结构能够减少缺陷密度并异质离子迁移，基于该异质结构的反式器件实现了20.7%的效率和1000h的连续工作寿命，为高效稳定钙钛矿太阳能电池的构筑提供了一条途径。文章发表于Cell Press(细胞出版社)旗下期刊Cell Reports Physical Science上。
研究亮点：
1.利用离子交换方法在杂化钙钛矿晶粒表面制备了CsPbI3富集的的准无机纳米核壳结构;
2.准无机壳层异质结构能够减少缺陷密度和抑制离子迁移;
3.基于该异质结构的反式钙钛矿电池实现了20.7%的效率和1000h的连续工作寿命。
基于杂化/准无机核壳结构的高效高稳定钙钛矿太阳能电池
混合有机-无机钙钛矿太阳能电池由于其具有较高的光电转换效率，可溶液加工和低成本等优点而备受关注。然而，尽管钙钛矿太阳能电池的效率已超过25%，但其稳定性仍然有待提高。原因之一是有机阳离子容易发生移动，特别是易挥发的甲铵离子(MA)，加剧了材料结构的变化。
采用不含MA的甲脒基钙钛矿(FAPbI3)可以获得热稳定性更好的太阳能电池。在FAPbI3中掺杂Cs+、Rb+等一价阳离子可进一步稳定钙钛矿结构并有效提高器件性能。然而，基于FA体系钙钛矿的效率仍然低于MA体系钙钛矿。另一方面，虽然FA热稳定性好于MA，但要实现全FA体系的高稳定器件仍要进一步探索和发展。
要点1：准无机壳层结构钙钛矿薄膜的制备和表征
研究人员使用CsSCN作为反应物加入前驱体溶液中，薄膜在退火中，和晶粒表面的杂化钙钛矿发生反应。通过原子力显微镜-红外光谱和X射线能谱的表征，证实晶粒表面的FA阳离子被Cs替换，随后在表面形成CsPbI3富集的的准无机壳层结构。研究人员对薄膜进一步光电性能表征发现，该异质结构能够减少非辐射复合并提高载流子寿命。同时，第一性原理计算表明无机CsPbI3为主的表面使得钙钛矿的肖特基缺陷形成能增加，这使得晶体界表面处缺陷密度降低。以上实验表明杂化/准无机纳米核壳钙钛矿结构具有优良的光电性能。
▲图 1 杂化/准无机纳米核壳钙钛矿结构的表征(A-F)以及形成示意图(G)
要点2：准无机壳层结构钙钛矿器件的性能测试
由于钙钛矿薄膜的光电性能提高，基于该异质结构的反式器件实现了20.7%的效率，是迄今为止报道的CsxFA1-xPbI3体系中反式钙钛矿电池的最高效率。除此之外，由于表面无机结构的保护和缺陷密度的减少，该核壳结构有效降低了离子迁移并减少了钙钛矿和水氧反应速率，大幅提高了钙钛矿材料的光热和空气稳定性。封装的器件在最大功率点连续工作1000小时后，仍保持95%以上的原始效率。按照日照时间和强度推算器件在真实环境下使用寿命为两年。这是目前基于CsxFA1-xPbI3体系的反式结构钙钛矿电池的最佳工况稳定性。同时，封装器件能够分别在60oC 和85oC下持续工作250小时和50小时，展示出良好的高温工况稳定性。
▲图 2 该工作所实施的器件结构(A)以及器件的J-V曲线(B)，control为传统杂化钙钛矿结构，HSP为杂化/准无机纳米核壳结构钙钛矿
▲图 3 封装太阳能电池器件在不同温度下的工况稳定性，control为传统杂化钙钛矿结构，HSP为杂化/准无机纳米核壳结构钙钛矿
小结：
本工作通过离子交换的方法，在杂化钙钛矿晶粒表面形成CsPbI3富集的准无机纳米壳层结构，使无甲胺钙钛矿反式结构太阳能电池的效率达到20.7%，连续最大功率点运行1000小时后仍保留原始效率的95%。该核壳结构结合了杂化钙钛矿优异的光电性能和无机钙钛矿的良好稳定性，为制备高效高稳定钙钛矿太阳能电池提供了思路。
