美国北伊利诺伊大学Tao Xu团队PNAS Nexus力作

一、 【导读】  

钙钛矿太阳能电池已经在功率转换效率上媲美或超越硅（Si）和铜铟镓硒（CIGS）电池。同时，独特的溶液制备特性使钙钛矿太阳电池成为了一项低成本，具有颠覆传统光伏市场能力的新兴技术。然而，钙钛矿光伏器件，尤其是应用于全钙钛矿叠层太阳电池中的窄带隙锡基钙钛矿，因较差的氧化稳定性与器件运作稳定性，严重地限制了其在商用化进程中的技术成熟和市场占有率。

二、【成果掠影】

近日，美国北伊利诺伊大学的Tao Xu团队和国家可再生能源实验室（NREL）Kai Zhu团队合作在PNAS Nexus上发表研究论文。通过对有机-无机杂化锡铅钙钛矿中的MA和FA阳离子进行同位素氘代化处理，所制备的无封装钙钛矿薄膜具有在氧等离子降解条件下的化学稳定性。最后，研究人员制备了基于氘代体系的杂化钙钛矿太阳电池器件，性能结果显示，氘化钙钛矿器件（D-Cs_0.25FA_0.75Sn_0.5Pb_0.5I₃）具有更强的热稳定性（85℃）、水氧稳定性（RH=82%）和连续光照稳定性（50℃、RH=50%）。通过对无氘化处理的H-MAPbI₃和氘化处理的D-MAPbI₃的前驱体溶液丁达尔光学现象研究，研究人员厘清了PbI[CD₃ND]复合物的稳定生成，乃是同位素处理提升化学稳定性的根源。而相比之下，H-MAPbI₃前驱体溶液没有表现出PbI[CH₃NH]胶体的生成（无丁达尔现象）。相关研究文章以“Bioinspired stability enhancement in deuterium-substituted organic–inorganic hybrid perovskite solar cells”为题发表在PNAS Nexus上。

 三、【核心创新点】

通过模仿生物体基团在重水（D₂O）中的活性抑制现象，该工作所利用的钙钛矿前驱体组分同位素改性策略，可适配于所有有机-无机杂化钙钛矿体系，实现低成本、稳定性增强、工艺重复性高的窄带隙锡铅混合钙钛矿太阳能电池。该技术可应用于正快速发展的钙钛矿叠层太阳能电池技术，在不影响器件光伏性能条件下，实现器件的环境与运作稳定性提升，为可商用化的光伏技术开辟了道路。

 四、【数据概览】

图1 非氘代和氘代 (FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4钙钛矿薄膜在不同氧等离子体处理时间后的FTIR图谱 © 2023 Oxford University Press

图2  基于非氘代和氘代FAI制备的Cs_0.25FA_0.75Sn_0.5Pb_0.5I₃窄带隙钙钛矿太阳电池性能和器件稳定性比较  © 2023 Oxford University Press

图3  基于FASn_0.5Pb_0.5I₃ (001)晶面不同表面层之下的二价锡空位（V_Sn^2-）和Sn化学势能为变量的V_Sn^2-形成自由能 © 2023 Oxford University Press

五、【成果启示】

综上，本工作为提升有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的稳定性提供了有效思路，为钙钛矿叠层太阳电池的进一步实用化开辟了途径。

原文详情：Bioinspired stability enhancement in deuterium-substituted organic–inorganic hybrid perovskite solar cells, PNAS Nexus, 2023, 2, pgad160.

DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad160

本文由材老牛供稿。