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研究背景

鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性能，尤其是在光伏、光催化和發(fā)光器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。富含福爾馬銨（FA）的三碘化鈣鈦礦，作為一種新型光吸收材料，在單結(jié)光伏和先進(jìn)的串聯(lián)光伏電池中展現(xiàn)出巨大的潛力。與傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池相比，F(xiàn)A富三碘化鈣鈦礦具備更寬的帶隙調(diào)節(jié)范圍、更高的光吸收能力和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，因此在高效太陽(yáng)能電池的開發(fā)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，這些材料在制備過(guò)程中，特別是在結(jié)晶過(guò)程中，常常面臨相變不完全和六角相雜質(zhì)的存在，導(dǎo)致光伏器件效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。這種相變過(guò)程中的雜質(zhì)不僅是光激發(fā)電荷載流子的陷阱，還會(huì)加速光化學(xué)降解，進(jìn)而影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能。如何穩(wěn)定鈣鈦礦的立方α相，并抑制六角相的形成，成為了當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。

成果簡(jiǎn)介

鑒于此，香港大學(xué)電氣電子工程學(xué)院Wallace C.H. Choy教授、浙江大學(xué)王勇研究員、南方科技大學(xué)徐保民教授等團(tuán)隊(duì)攜手在Nature Photonics期刊上發(fā)表了題為“Eutectic molecule ligand stabilizes photoactive black phase perovskite”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種氫鍵共晶分子（EM），通過(guò)該分子與[PbI6]4?八面體的配位作用，顯著促進(jìn)了角連接八面體的形成，并成功穩(wěn)定了鈣鈦礦的α相。與傳統(tǒng)的添加劑不同，EM分子通過(guò)氫鍵作用與立方相的角連接八面體形成更強(qiáng)的相互作用，降低了立方α相的形成能，從而有效避免了六角相的生成。研究表明，這一新型的EM分子能夠完全驅(qū)動(dòng)FA富三碘化鈣鈦礦的相變，得到純凈的立方結(jié)構(gòu)鈣鈦礦膜，且無(wú)納米級(jí)相雜質(zhì)存在，極大地降低了缺陷密度。

利用這種優(yōu)化后的鈣鈦礦膜制備的太陽(yáng)能電池，獲得了顯著提高的性能，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到25.7%（經(jīng)認(rèn)證為25.7%），并表現(xiàn)出超過(guò)2000小時(shí)的優(yōu)異操作穩(wěn)定性（T95）。這一研究成果不僅為FA富三碘化鈣鈦礦的相穩(wěn)定性提供了新的解決方案，而且為鈣鈦礦材料在光伏領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)這種方法，團(tuán)隊(duì)成功地提升了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為未來(lái)光電器件的高效穩(wěn)定發(fā)展開辟了新的技術(shù)路徑。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次利用氫鍵共晶分子（EM）作為[PbI6]4?八面體配體，成功促進(jìn)了富福爾馬銨三碘化鈣鈦礦的相變過(guò)程，并顯著提高了鈣鈦礦膜的相純度。

2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)EM與角連接八面體的強(qiáng)相互作用，降低了立方α相的形成能，促使鈣鈦礦從六角相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?，避免了六角相雜質(zhì)的形成，得到了純凈的立方結(jié)構(gòu)鈣鈦礦。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，EM的加入使鈣鈦礦膜中缺陷密度顯著降低，電學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，為高效和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備奠定了基礎(chǔ)。

4. 通過(guò)EM制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了25.7%的認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和約2000小時(shí)的T95操作穩(wěn)定性，展示了其在光伏應(yīng)用中的巨大潛力。

圖文解讀

圖1 （a）EM合成示意圖；（b）PL強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖；（c）GIWAXS結(jié)果對(duì)比圖；（d）EM與不同[PbI6]4-八面體的結(jié)合能差異圖。

圖2 （a）（b）薄膜GIWAXS結(jié)果對(duì)比圖；（c）薄膜的PL強(qiáng)度分布；（d）薄膜的TRPL表征。

圖3 （a）（b）器件的J-V和EQE；（c）器件性能的統(tǒng)計(jì)分布；（d）大面積器件的J-V；（e）器件的非輻射復(fù)合造成的開壓損失對(duì)比。

圖4 （a）（b）薄膜的相穩(wěn)定性；（c）（d）器件的儲(chǔ)存和運(yùn)行穩(wěn)定性。

結(jié)論展望

本文通過(guò)引入氫鍵共晶分子（EM）作為添加劑，成功促進(jìn)了富福爾馬銨三陽(yáng)離子鈣鈦礦的相變過(guò)程，尤其是從六角相到立方相的轉(zhuǎn)變。

該研究揭示了EM在相變中的微觀機(jī)制，特別是通過(guò)增強(qiáng)角連接[PbI6]4?八面體的形成能，消除六角相雜質(zhì)，從而提高了鈣鈦礦膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)不僅為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高效制備提供了新的思路，還為未來(lái)開發(fā)其他高效光電材料提供了理論依據(jù)。

此外，EM的共晶特性和可調(diào)組成性質(zhì)為未來(lái)探索更廣泛的共晶系統(tǒng)添加劑提供了潛力，推動(dòng)了功能性材料設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何巧妙地利用共晶添加劑調(diào)控材料的相變和性能，將成為材料科學(xué)和光電技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。

文獻(xiàn)信息

Gao, ZW., Wang, D., Fang, J. et al. Eutectic molecule ligand stabilizes photoactive black phase perovskite. Nat. Photon. (2025).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2025/01/15/a5643f91d6/

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25.7%！鈣鈦礦今年首篇Nature Photonics！

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