顶刊钉子户钙钛矿在2020年竟然发了17篇Nature&Science

1.加州大学圣地亚哥分校徐升：卤化物钙钛矿的应变工程和外延稳定

应变工程是增强半导体器件性能的强大工具。卤化物钙钛矿由于其非凡的电子和光电特性而在设备应用中显示出了广阔的前景。尽管已经经常尝试将应变施加到卤化物钙钛矿上，但是由于缺乏合适的晶格不匹配的外延衬底，通过化学外延对卤化物钙钛矿进行可控的和与设备兼容的应变工程仍然是一个挑战。

加州大学圣地亚哥分校徐升报道了晶格不匹配的卤化物钙钛矿衬底上卤化物钙钛矿单晶薄薄膜的外延生长。作者使用实验技术和理论计算方法研究了α-FAPbI₃的应变工程。通过调整衬底的成分-从而调整其晶格参数-将高达2.4％的压缩应变应用于外延α-FAPbI3薄膜。作者证明了该应变有效地改变了晶体结构，减小了带隙并增加了α-FAPbI3的空穴迁移率。由于外延稳定和应变中和的协同效应，应变外延还显示出对α-FAPbI3相具有实质性的稳定作用。例如，应用应变工程技术来增强基于α-FAPbI3的光电探测器的性能。

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Strain engineering and epitaxial stabilization of halide perovskites

Nature, 2020, 10.1038/s41586-019-1868-x

2.北伊利诺伊大学徐涛和可再生能源国家实验室朱凯:钙钛矿型太阳能电池器件上的铅隔离

钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的高效、低成本的光伏技术，在走向商业化过程中面临障碍。在设备稳定性方面已进行了实质性的改进，但铅毒性和从设备中浸出的潜在问题仍未得到解决。在建筑集成光伏电池中使用钙钛矿太阳能电池时，潜在的铅泄漏风险被视为对环境和公共健康的危害。

北伊利诺伊大学徐涛和可再生能源国家实验室朱凯提出一种化学方法来隔离由于严重损坏设备而导致的超过96％的铅泄漏的设备上隔离。铅吸收材料的涂层被应用到设备堆栈的正面和背面。在前透明导电电极的玻璃侧，作者使用了透明的吸收铅的分子膜，该膜包含与磷牢固结合的膦酸基团。在背面（金属）电极侧，作者将与铅螯合剂共混的聚合物薄片放在金属电极和标准光伏填料薄片之间。浸水时，两侧吸铅膜会膨胀以吸收铅，而不是溶解，从而保持结构完整性，以便在损坏后容易收集铅。

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On-device lead sequestration for perovskite solar cells

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2001-x

3.剑桥大学Samuel D. Stranks和冲绳科学技术大学院大学Keshav M. Dani:在卤化物钙钛矿中晶界处的限制性能的纳米级陷阱簇

卤化物钙钛矿材料具有用于低成本光电应用的有前途的性能特征。由钙钛矿吸收体制成的光伏器件的功率转换效率在单结器件中达到25％以上，在串联器件中达到28％以上。在低温下从溶液中加工出的薄薄膜中，这种强大的性能令人惊讶，该方法通常会产生大量晶体缺陷。尽管点缺陷通常仅在钙钛矿带隙中诱发不影响性能的浅电子态，但钙钛矿器件在带隙内仍具有许多能俘获电荷载流子并使它们非辐射复合的状态。这些深陷阱状态会引起光致发光的局部变化并限制器件性能。这些陷阱状态的起源和分布是未知的，但是它们与混合卤化物钙钛矿成分中的光诱导卤化物偏析以及局部应变有关，这两者都使器件不稳定。

剑桥大学Samuel D. Stranks和冲绳科学技术大学院大学Keshav M. Dani使用光发射电子显微镜对最新的卤化物钙钛矿薄膜中的陷阱分布进行成像。作者观察到离散的纳米级陷阱簇，而不是在光致发光效率差的区域内相对均匀的分布。通过将显微镜测量结果与扫描电子分析技术相关联，作者发现这些陷阱簇出现在晶体学和组成上不同的实体之间的界面处。最后，通过产生光激发载流子俘获过程的时间分辨的光发射序列，作者揭示了一个空穴俘获特性，其动力学受空穴向局部陷阱簇的扩散的限制。这个方法表明，在纳米尺度上管理结构和组成对于卤化物钙钛矿器件的最佳性能至关重要。

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Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2184-1

4.普渡大学的Brett M. Savoie和普渡大学窦乐天以及上海科技大学的于奕：二维卤化物钙钛矿横向外延异质结构

基于氧化物钙钛矿，III-V，II-VI和过渡金属二硫化碳半导体的外延异质结构构成了现代电子学和光电子学的基础。卤化钙钛矿对于诸如溶液处理的太阳能电池，发光二极管，检测器和激光器等应用具有吸引力。它们固有的软晶格允许更大的晶格失配容忍度，使其有望用于异质结构形成和半导体集成。原子尖锐的外延界面对于改善性能和设备小型化是必需的。但是，由于卤化物钙钛矿的原子尖锐的异质结构的外延生长尚未实现，这是由于它们的固有离子迁移率高，这导致相互扩散和较大的结宽，并且由于它们的化学稳定性差，导致在沉积过程中先前层的分解后续层的制造。因此，了解这种不稳定性的根源并确定抑制离子扩散的有效方法非常重要。

普渡大学的Brett M. Savoie和普渡大学窦乐天以及上海科技大学的于奕报道一种有效的策略，通过结合刚性的π-共轭有机配体，基本上抑制了二维卤化物钙钛矿中的面内离子扩散。作者展示了高度稳定和可调的横向外延异质结构，多异质结构和超晶格。低剂量像差校正的高分辨率透射电子显微镜揭示了近原子尖锐的界面和外延生长。分子动力学模拟证实了在共轭配体存在下二维钙钛矿的减少的异质结构紊乱和更大的空位形成能。这些发现为卤化钙钛矿半导体的固定和稳定化提供了见识，并展示了用于复杂且分子薄的超晶格，器件和集成电路的材料平台。

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Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2219-7

5.香港科技大学范智勇:具有半球形钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼

人眼具有出色的图像感应特性，例如视野极广，分辨率高，像差低。具有这种特征的仿生眼睛是非常需要的，特别是在机器人技术和视觉假体中。然而，生物眼睛的球形和视网膜对仿生设备提出了巨大的制造挑战。

香港科技大学范智勇提出了一种具有半球形视网膜的电化学眼，该眼球是由高密度的纳米线阵列构成的，该纳米线模仿了人类视网膜上的感光器。该设备设计与人眼具有高度的结构相似性，当对单个纳米线进行电寻址时，具有实现高成像分辨率的潜力。此外，作者通过重构投影到设备上的光学图案来演示仿生设备的图像感应功能。这项工作可能会导致仿生光敏器件可以在广泛的技术应用中使用。

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A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina

Nature, 2020, s41586-020-2285-x

6.多伦多大学Edward H. Sargent和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf:高效串联太阳能电池，在晶化硅上进行固溶钙钛矿处理

堆叠具有减小的带隙的太阳能电池以形成双结膜，这有可能克服光伏电池的单结Shockley-Queisser极限。固溶钙钛矿的快速发展带来了钙钛矿单结效率> 20％。然而，该工艺尚未能够与工业相关的纹理化晶体硅太阳能电池进行单片集成。

多伦多大学Edward H. Sargent和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf报道了将溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合的双相电池。为了克服微米级钙钛矿中电荷收集的挑战，作者将硅金字塔底部的耗尽宽度增加了三倍。此外，通过将自限钝化剂（1-丁硫醇）固定在钙钛矿表面上，增加了扩散长度并进一步抑制了相偏析。这些综合的增强功能使钙钛矿硅串联太阳能电池的独立认证功率转换效率达到了25.7％。这些器件在85°C下进行了400小时的热稳定性测试之后以及在40°C下在最大功率点跟踪下经过400小时之后，其性能损失可忽略不计。

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Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite on textured crystalline silicon

Science, 2020, 10.1126/science.aaz3691

7.科罗拉多大学徐集贤&Michael D. McGehee:三卤化物宽带隙钙钛矿，相分离得到抑制，可实现有效的双峰

宽带隙金属卤化物钙钛矿有望将半导体与串联太阳能电池中的硅配对，以追求以低成本实现大于30％的功率转换效率（PCE）的目标。然而，宽带隙钙钛矿太阳能电池已受到光致相分离和低开路电压的根本限制。

科罗拉多大学徐集贤&Michael D. McGehee报道了使用三卤化物合金（氯，溴，碘）可有效地形成1.67电子伏特宽带隙钙钛矿顶部电池，以定制带隙并在光照下稳定半导体。作者观察到即使在100阳光照射强度下，薄膜中光诱导的相偏析也得到抑制，并且在60°C的最大功率点（MPP）运行1000小时后，半透明顶部电池的降解小于4％。通过将这些顶部电池与硅底部电池集成在一起，作者在面积为1平方厘米的两端整体式单片器件中实现了27％的PCE。

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Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems

Science, 2020, 10.1126/science.aaz5074

8.北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松：解析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

北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松报道的金属卤化物钙钛矿单晶和多晶太阳能电池中陷阱态的空间和高能分布的分析。单晶中的陷阱密度变化了五个数量级，最低值为每立方厘米2×10¹¹，大多数深陷阱位于晶体表面。多晶膜界面的所有深度的电荷陷阱密度比膜内部的电荷陷阱密度大一到两个数量级，并且膜内部的陷阱密度仍然比高密度薄膜中的陷阱陷阱密度大两到三个数量级。出乎意料的是，表面钝化后，在钙钛矿和空穴传输层的界面附近发现了大多数深陷阱，其中嵌入了大密度的纳米晶体，从而限制了太阳能电池的效率。

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Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metal halide perovskite solar cells

Science, 2020, 10.1126/science.aba0893

9.KAIST&首尔国立大学&NREL：阴离子工程宽带隙钙钛矿可实现高效稳定的硅串联电池

要使钙钛矿/硅串联太阳能电池的功率转换效率（PCE）最大化（可能超过Shockley-Queisser单电池极限），就需要具有宽带隙的高性能，稳定的钙钛矿顶电池。KAIST&首尔国立大学&NREL开发了一种稳定的钙钛矿太阳能电池，其带隙约为1.7电子伏特，在连续照明1000小时后，仍能保持其初始PCE的20.7％的80％以上。苯乙铵基二维（2D）添加剂的阴离子工程对于控制基于碘化铅骨架的2D钝化层的结构和电性能至关重要。通过顶部和底部电池光谱响应的理想组合，可以实现整体式两端子宽带隙钙钛矿/硅串联太阳能电池的26.7％的高PCE。

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Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide-bandgap perovskites

Science, 2020, 10.1126/science.aba3433

10.中科院长春应用化学研究所和日本九州大学Chihaya Adachi:准2D钙钛矿薄膜中稳定的室温连续波激射

有机-无机卤化铅准二维（2D）钙钛矿因其低成本，可调节的颜色，出色的稳定性和溶液可加工性而成为激光应用中有希望的增益介质。光泵浦连续波（CW）激射是高密度集成光电子器件中实际应用的高度要求，并且是向电泵浦激光器迈出的关键一步。但是，由于“激光死亡”现象，尚未在室温下实现CW激光发射，其原因仍然未知。

中科院长春应用化学研究所和日本九州大学Chihaya Adachi研究了基于卤化铅的具有不同有机阳离子的准2D钙钛矿薄膜，并观察到长寿命的三重态激子在加倍自发发射以及光泵浦脉冲和CW激光过程中显着阻碍了人口反转。结果表明，单重态-三重态激子湮灭是引起激光死亡的可能的内在机制。通过使用具有高品质因数的分布式反馈腔并应用三重态管理策略，可以在室温下在空气中连续光泵浦下获得稳定的准2D钙钛矿绿色准激光器。希望这个发现将为实现未来的电流注入钙钛矿激光器铺平道路。

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Stable room-temperature continuous-wave lasing in quasi-2D perovskite films

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2621-1

11.加州大学圣地亚哥分校徐升：柔性单晶钙钛矿器件的制造工艺

有机-无机杂化钙钛矿具有电子和光电特性，使其在许多设备应用中具有吸引力。尽管许多方法都集中在多晶材料上，但单晶杂化钙钛矿由于其取向相关的传输行为和较低的缺陷浓度而表现出比其多晶同行更好的载流子传输和更高的稳定性。然而，单晶杂化钙钛矿的制造以及控制其形态和组成是具有挑战性的。

加州大学圣地亚哥分校徐升报道了一种基于溶液的光刻辅助外延生长和转移方法，可在任意衬底上制造单晶杂化钙钛矿，并精确控制其厚度，面积，并且厚度方向上的成分梯度。转移的单晶杂化钙钛矿的质量与直接生长在外延衬底上的钙钛矿的质量相当，并且可以机械固定，具体取决于厚度。铅锡梯度合金可形成梯度电子带隙，从而增加载流子迁移率并阻碍载流子复合。基于这些单晶杂化钙钛矿的器件不仅显示出对各种降解因子的高稳定性，而且还具有良好的性能。

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A fabrication process for flexible single-crystal perovskite devices

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2526-z

12.德国亥姆霍兹国家研究中心Steve Albrecht:整体钙钛矿/硅串联太阳能电池通过增强的空穴提取效率>29％

将硅与金属卤化物钙钛矿配对的串联太阳能电池是超越单电池效率极限的有前途的选择。 德国亥姆霍兹国家研究中心Steve Albrecht报告了整体钙钛矿/硅串联结构，其认证的电源转换效率为29.15％。钙钛矿吸收剂的带隙为1.68电子伏特，通过快速空穴提取和空穴选择界面处的非辐射复合最小化，在光照下保持相稳定。通过自组装的甲基取代咔唑单层作为钙钛矿电池中的空穴选择层，可以实现这些功能。加速空穴提取与低理想因子1.26和高达84％的单结填充因子有关，同时可实现高达1.92伏的串联开路电压。在没有封装的情况下，在空气中，串联运行300小时后仍能保持其初始效率的95％。

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Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction

Science, 2020, 10.1126/science.abd4016

13.牛津大学Peter D. Nellist&Laura M. Herz:钙钛矿金属卤化物的原子尺度微观结构

杂化的有机-无机钙钛矿作为太阳能应用材料具有很高的潜力，但其微观性质仍未得到很好的理解。原子分辨率扫描透射电子显微镜为许多晶体太阳能电池材料提供了不可估量的见解，牛津大学Peter D. Nellist&Laura M. Herz使用此方法成功地成像了低剂量电子辐照的三碘化二碘化铅[CH(NH2)2PbI3]薄膜。这些图像显示出晶界清晰，钙钛矿/PbI2界面紧密的高度有序的原子排列，并且晶体中没有明显的长程无序。作者发现，束流诱导的钙钛矿降解会导致甲脒[CH(NH2)2+]离子的初始损失，留下部分未被占用的钙钛矿晶格，这说明了这些材料的异常再生特性。实验进一步观察到对准点缺陷和爬升解离位错。这个发现提供了对卤化钙钛矿的原子级理解。

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Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite

Science, 2020, 10.1126/science.abb5940

14.复旦大学&洛桑联邦理工学院:气相辅助沉积高效稳定的黑相FAPbI3钙钛矿型太阳能电池

阳离子或卤化物与FAPbI3的混合物可导致钙钛矿太阳能电池（PSC）的高效率，但也会导致蓝移吸收和由挥发性甲基铵（MA）的损失和相分离引起的长期稳定性问题。复旦大学&洛桑联邦理工学院报道了使用MASCN或FASCN气相处理将黄色的δ-FAPbI3钙钛矿薄膜转化为所需的纯α相的沉积方法。NMR量化了MA并入骨架的过程。分子动力学模拟表明，SCN-阴离子在热力学相变温度以下可促进α-FAPbI3的形成和稳定。作者使用这些低缺陷密度的α-FAPbI3薄膜来制造功率转换效率> 23％，长期运行和热稳定性以及低（330毫伏）开路电压损耗和低（0.75伏）的电致发光电压。

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Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells

Science, 2020, 10.1126/science.abb8985

15.蔚山国立科学技术学院Sang Il Seok:应变松弛对α-甲脒碘化铅钙钛矿太阳能电池性能的影响

高效卤素卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）已用稳定有多种阳离子的α相甲脒碘化铅（FAPbI3）制成。合金化的阳离子会极大地影响带隙，载流子动力学和稳定性，以及产生不需要的载流子俘获位点的晶格应变。蔚山国立科学技术学院Sang Il Seok在FAPbI3的FA位置取代了铯（Cs）和亚甲基二铵（MDA）阳离子，发现MDA和Cs阳离子的0.03 mol分数降低了晶格应变，从而延长了载流子寿命并降低了能量和缺陷浓度。性能最佳的PSC在100毫瓦/平方厘米的AM 1.5G照明下表现出的功率转换效率> 25％（经认证的效率为24.4％）。在85°C的黑暗环境中1300小时后，未封装的器件保持其初始效率的80％以上。

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Impact of strain relaxation on performance of α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells

Science, 2020, 10.1126/science.abc4417

16.蔚山国立科学技术学院和韩国能源研究所:稳定的钙钛矿太阳能电池，效率超过24.8％，电压损失为0.3V

钙钛矿太阳能电池（PSC）性能的进一步改善和稳定性对于实现下一代光伏产品的商业可行性至关重要。考虑到氟化能使共轭材料具有能级，疏水性和非共价相互作用的优点，蔚山国立科学技术学院和韩国能源研究所开发了两种众所周知的空穴传输材料（HTM）Spiro-OMeTAD的氟化异构体，并将其用作PSC中的HTM。通过实验，原子和理论分析研究了由结构异构引起的结构-性质关系，所制备的PSC具有高达24.82％的高效率，并且在潮湿条件下无需封装即可具有长期稳定性。 在大面积电池中，我们还可以达到22.31％的效率。

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Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

Science, 2020, 10.1126/science.abb7167

17.牛津大学Yen-Hung Lin&Henry J. Snaith:哌啶盐可稳定高效的金属卤化物钙钛矿太阳能电池

对于混合钙钛矿光伏电池，寿命一直是长期关注的问题。通过将哌啶基离子化合物掺入钙钛矿吸收剂中，牛津大学Yen-Hung Lin&Henry J. Snaith展示了高回弹正本征负钙钛矿型太阳能电池。带隙调整为非常适合硅钙钛矿串联电池，这种哌啶添加剂可提高开路电压和电池效率。 在积极老化期间，该添加剂还阻碍了成分偏析到杂质相和钙钛矿吸收层中的针孔形成。在环境大气中的全光谱模拟阳光下，未封装和封装的电池在60°C和85°C时分别保持其峰值效率和预烧效率的10％和1200小时分别为80％和95％。

文献链接：

A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells

Science, 2020, 10.1126/science.aba1628

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