顶刊收割机，钙钛矿领域今年已发表8篇Nature/Science, Sargent等大牛引领明星材料里程碑式突破

有机-无机卤化物钙钛矿（OIHP）材料有较高的吸收系数，较长的载流子扩散长度，可调的带隙，双极性的电荷传输，较低的激子束缚能和较高的电荷寿命等优异性能。过去十多年，有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）呈现爆炸性增长，引起了研究者的极大关注，美国国家可再生能源实验室（NREL）出具的最新光电转换效率的认证数值已达到25.20%，出色的光电转换效率证明钙钛矿已经成为最有潜力的光伏材料之一。下面我们总结了今年Science和Nature杂志上关于钙钛矿太阳能电池的里程碑式成果，和大家一起交流探讨。

1、Nature: 卤化物钙钛矿的应变工程和外延稳定性的研究

美国加州大学圣地亚哥分校徐升教授团队报道了卤化物钙钛矿单晶薄膜在晶格不匹配的卤化物钙钛矿衬底上的应变外延生长研究。研究人员通过使用实验技术和理论计算这两种操作相结合的方法来研究α-FAPbI₃的应变工程。通过调整基质组成和相应的晶格参数可使高达2.4%的压缩应变应用于外延α-FAPbI₃薄膜上。该研究证明应变工程有效地改变了晶体结构，减少了能带和增加了α-FAPbI₃的空穴迁移率。由于外延稳定和应变工程的协同效应，也显示出对α-FAPbI₃显著增强的稳定作用。因此，应变工程可应用于增强基于α-FAPbI₃光电探测器的性能。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1868-x

2、Nature：钙钛矿太阳能电池装置上的铅隔离

美国国家可再生能源实验室的朱凯教授和北伊利诺伊大学徐涛教授团队将透明的吸收铅的DMDP膜沉积在玻璃上。DMDP膜不溶于水，但具有良好的透水性。这样，当水渗入设备时，功能性膦酸基团可以有效吸收水中的Pb²⁺。研究人员在背面使用了预干燥膜，其中包含强商品铅-螯合剂EDTMP掺入主体聚合物基质中，以确保单独使用螯合剂或形成的铅螯合复合物不能用水冲洗。研究人员研究了在约50°C的空气中模拟的1太阳光照射强度下，这些设备在连续操作下的长期稳定性。连续运行约500小时后未观察到设备性能的差异。这些结果表明，使用铅吸收层（尤其是DMDP膜）不会对设备性能和长期运行稳定性产生不利影响。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2001-x

3、Science：高效钙钛矿-硅串联太阳能电池，25.7%效率！

加拿大多伦多大学Edward H. Sargent 教授和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf教授团队将可溶液处理的、微米厚的、宽禁带的钙钛矿太阳能顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合。这种方法在硅中实现了三倍的损耗宽度，改进了载流子收集。此外，研究人员通过在钙钛矿表面锚定一种钝化剂(1-丁硫醇)，增强了扩散长度，进一步抑制了相分离。这些协同增强技术使认证的钙钛矿-硅串联太阳能电池的能量转换效率达到25.7%。在85°C的400小时热稳定性测试和40°C的最大功率点跟踪400小时后，这些器件设备的性能损失几乎可以忽略不计。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135

4、Science：高效钙钛矿-硅串联太阳能电池，27%效率！

美国科罗拉多大学Michael D. McGehee教授和中国科学技术大学徐集贤教授报道了通过使用三卤化物 (氯、溴、碘)来调节带隙并在光照下稳定半导体的具有1.67电子伏特宽带隙的高效钙钛矿顶部电池。研究人员发现光载流子寿命和电荷载流子迁移率增加了2倍，这是由于氯的溶解度增加了，用溴取代了一部分碘来减小晶格参数。研究人员观察到，即使在100倍光照强度下，薄膜中的光诱导相分离也会被抑制，在60°C下，经过1000小时的最大功率点(MPP)操作后，半透明顶电池的降解率也不到4%。通过将这些顶部电池与硅底部电池集成，在面积为1平方厘米的两端单片串联太阳能电池中实现了27%的效率。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097

5、Science：金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布的研究

美国北卡罗来纳大学黄劲松教授团队报道了金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布的研究概述。研究人员证明驱动级电容剖面(DLCP)方法，一种基于电容的替代技术，可以提供钙钛矿中载流子和陷阱密度的特征空间分布。研究人员绘制了钙钛矿单晶和多晶薄膜中陷阱态的空间和能量分布。然后对典型的平面结构太阳能电池中钙钛矿单晶和薄膜中的陷阱密度和分布进行了直接的比较。单晶中陷阱密度变化较大，且大部分深陷阱位于晶体表面。多晶薄膜界面的电荷陷阱密度比薄膜内部大一到两个数量级，并且薄膜内部陷阱密度仍然比高质量的单晶大两到三个数量级。需要注意的是，表面钝化后，在钙钛矿和空穴输运层的界面附近发现了大部分的深陷阱，那里有大量的纳米晶体嵌入，限制了太阳能电池的效率。

文献链接：

http://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352

6、Science：基于阴离子工程的钙钛矿-硅串联太阳能电池实现26.7％效率！

美国国家可再生能源实验室的朱凯教授团队、韩国首尔大学Jin Young Kim团队和韩国科学技术院Byungha Shin团队使用硫氰酸盐(SCN)和传统的碘的混合物开发了2D-3D混合宽禁带(1.68 eV)钙钛矿。通过使用原子分辨透射电子显微镜(TEM)，研究人员证明了利用2D添加剂的阴离子工程可以控制2D钝化层的电输运特性和电荷输运特性。此外，可以利用这种方法来扩展光稳定性和提高设备性能。对于钙钛矿器件设备，实现了20.7%的光电转换效率，在工作条件下连续光照1000小时后，保持了大于80%的初始效率。制备的两端单片钙钛矿-硅串联太阳能电池获得26.7％的效率，且具有优异的稳定性。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/25/science.aba3433

7、Nature：限制卤化物钙钛矿器件的性能的晶界处纳米级陷阱簇的研究

英国剑桥大学Samuel D. Stranks教授团队和日本冲绳科技大学院大学Keshav M. Dani教授团队使用光电子显微镜成像技术对卤化物钙钛矿薄膜的陷阱分布进行研究。在光致发光效率较差的区域内，研究人员观察到的不是一个相对均匀的分布，而是离散的纳米级团簇。通过将显微镜测量与扫描电子分析技术相结合，研究人员发现这些陷阱团簇出现在晶体学上和组成上截然不同的体相间的界面上。最后，通过生成光激发载流子捕获过程的时间分辨光发射序列，研究人员揭示了动力学受限于空穴向局域陷阱簇扩散的空穴捕获特征。该研究表明，在纳米尺度上调控结构和组成对于实现卤化物钙钛矿器件的最佳性能具有重要意义。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2184-1

8.二维卤化物钙钛矿横向外延异质结构

美国普渡大学的Brett M. Savoie、窦乐添以及上海科技大学的于奕（共同通讯作者）等人在异质结领域取得重要进展，首次制备了二维卤化物钙钛矿外延异质结。研究通过吸收π共轭的有机配体来有效抑制面内二维卤化物钙钛矿的面内离子扩散行为，并进而展示了高度稳定、可调的横向外延异质结构。通过高分辨的TEM手段，研究还揭示了近原子级界面及其外延生长。最后，分子动力学模拟进一步确认了异质结的无序状态明显改善、以及更大的空穴形成能。研究认为，这些发现为理解卤化物钙钛矿的稳定性以及制备更精巧复杂的超薄材料奠定了基础。2020年04月29日，相关成果以题为“Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures”的文章在线发表在Nature上。

文献链接：Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2219-7）

本文由eric供稿。

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