黄劲松Science Advance：钙钛矿太阳能电池的不稳定的内在原因-钙钛矿晶格的残余应变力

【引言】

钙钛矿太阳能电池的效率在短时间内已经高达22%，但是其稳定性问题一直没有得到很好的解决，严重阻碍了其商业化进程。虽然发展了一系列的封装技术可以减缓钙钛矿太阳电池的衰减速度，但是这为商业化增加了很大的基础成本。搞清楚钙钛矿电池不稳定性的本质原因是解决其稳定性问题的关键。然而，该类的研究少之又少。

【成果简介】

近日，内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授等人在Science Advance上发表了一篇名为“Strained hybrid perovskite thin films and their impact on the intrinsic stability of perovskite solar cells”的文章。该文章揭示了钙钛矿太阳能电池不稳定性的源头，该源头是由于钙钛矿薄膜层存在残余应变力，这种残余应变力会加快钙钛矿的降解从而导致器件不稳定。

【图文简介】

图1：应力表征

(a). 退火、未退火、刮粉和单晶的MAPbI₃对应的面外XRD谱；

(b). 退火后MAPbI₃薄膜的面外和面内的XRD，单晶MAPbI₃的面外的XRD；

(c, d). 面内和面外XRD示意图。

图2：应力形成过程的XRD与示意图

(a). 无衬底时，在100°C形成的钙钛矿在冷却过程中垂直和横向收缩;

(b). 退火后的钙钛矿膜因与衬底结合智能垂直收缩；

(c, d). 刮粉钙钛矿与钙钛矿薄膜的原位XRD测试。

图3：应力对钙钛矿薄膜稳定性的影响

(a). 不同应变力膜的实验装置示意图，以及500小时光照后对应的图片；

(b). 上述三种钙钛矿薄膜对应的面外XRD谱。

图4：ITO玻璃上的钙钛矿薄膜的应力与降解

(a, b). 退火后的ITO(a)与玻璃(b)衬底上钙钛矿薄膜XRD谱随光照时间的变化；

(c，d). 退火后的ITO(c)与玻璃(d)衬底上钙钛矿薄膜的应力与降解程度随光照时间的变化。

图5：钙钛矿薄膜在不同应力下的离子迁移活化能

(a-c). 凸、平、凹三种钙钛矿薄膜的电导率随温度的变化；

(d). 钙钛矿薄膜在不同应力下的的离子迁移活化能的变化曲线。

【小结】

该研究发现，钙钛矿材料与基底材料热膨胀系数失配导致的晶格应变力是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的重要原因。这种残余应变力是钙钛矿薄膜制备中的退火过程造成的，会加速钙钛矿的分解。因此，使用低温钙钛矿薄膜形成技术或者使用与钙钛矿热膨胀系数相匹配的衬底可以减少应变的产生从而增强钙钛矿太阳能电池的稳定性。该研究为增强钙钛矿器件的固有稳定性提供了一条有效的途径。

文献链接：Strained hybrid perovskite thin films and their impact on the intrinsic stability of perovskite solar cells (Science Advance, 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao5616)

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