原标题:上《科学》主刊！复旦研究团队解决钙钛矿稳定性问题的国际合作

来源:复旦大学

近日，信息科学与技术学院的詹亦强、郑丽荣与瑞士EPFL的安德斯·哈费尔德、迈克尔·格莱特泽尔合作，通过气相辅助生长法成功实现了室温稳定的a-FAPbI3(黑相甲脒铅碘)钙钛矿材料，并制备了光电转换效率大于23%的高效稳定的太阳能电池。这一突破为钙钛矿材料在高效轻质光伏电池、新型LED等光电器件和系统中的应用奠定了基础，对于太阳能清洁能源的无处不在的利用、新型柔性大面积光电器件和系统、智能机器人的自主供电具有重要意义。

10月2日，相关研究成果以“大气辅助制备高效高稳定性黑相甲乙素铅碘钙钛矿太阳能电池”为题在《科学》杂志上在线发表。

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有机气相沉积技术的分子动力学过程:(左)磷酸亚铁锂面共享八面体结构(右)磷酸亚铁锂角共享八面体结构

气相辅助生长，

解决相位稳定问题

金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性能和低温制备工艺而受到广泛关注，并已发展成为太阳能光伏电池、发光二极管(LED)、激光器和光电探测器。在过去的10年里，钙钛矿型太阳能电池的功率转换效率也从最初的3.8%提高到最近的20%以上。

但这类材料最大的缺点是热稳定性差，严重制约了其实际应用。其中，甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)因其良好的热稳定性和接近理想的带隙而备受关注，被认为是最有潜力的实用材料之一。但发现FAPbI3在室温下会从光活性黑相(A相)变为非光活性黄相(D相)，导致材料退化，电池性能衰减。室温稳定的a-fabbi3薄膜可以通过掺杂和混合得到，但在实际工作条件下会引起相分离和吸收光谱蓝移。因此，如何获得稳定的纯a-fabbi3薄膜已成为钙钛矿太阳能电池研究领域的一个国际性问题。

合作团队深入研究了FAPbI3的相变机理，创新性地开发了MASCN(甲基硫氰酸铵)气相辅助生长技术。基于这一技术，FAPbI3可以在较低的退火温度(100℃)下成功地从D相转变为A相，并长时间保持稳定。

借助分子动力学模拟，首次阐明了SCN-离子的工作机理:SCN-离子优先吸附在D相FAPbI3表面，由于Pb2+与S的强亲和力，SCN-离子取代了与Pb2+键合的I-离子，使D相FAPbI3共有的八面体结构顶层解体，过渡到A相FAPbI3的角共享结构。顶部结构的变换形成模板效应，从上到下，D相FAPbI3完全转化为A相FAPbI3。由于SCN离子和Pb2+之间的强亲和力，形成了稳定的表面结构，这限制了体A相FAPbI3。在85℃加热老化500小时的测试中，a-fabbi3薄膜保持零衰减并显示出优异的热稳定性。

低温制备工艺，

推广灵活的大面积普适应用

合作团队制备的FAPbI3钙钛矿太阳能电池低温效率在23%以上，最大功率点跟踪500小时仍保持90%以上的原始性能，体现了其超高的工作状态稳定性。

此外，复旦团队最近采用全低温制备工艺，在聚酯衬底上成功制备了效率高达20%的柔性太阳能电池，使未来太阳能的普遍利用成为可能，例如，它可以与建筑、汽车车身等集成。，实现太阳能无处不在的清洁高效利用，并与飞艇囊和智能昆虫翅膀等灵活集成。，为飞机和灵活的智能机器人等实现轻便高效的独立供电。

实验测量表明，该材料除具有优异的光伏性能外，还可以在低至0.75伏的开启电压下实现电致发光，在未来大面积柔性显示、照明、可穿戴电子等领域具有潜在的应用前景。

经过两年多的密切合作和努力，合作团队从实验设计、分子动力学模拟、众多实验测试和改进，以及许多补充实验和验证等方面取得了突破。即使在疫情最严重的阶段，他们也没有停止工作。本文第一作者陆海舟，2017-2019年在信息科技学院做博士后，现为EPFL博士后。信息科学与技术学院的詹亦强和郑丽荣以及EPFL的安德斯·哈格菲尔德和迈克尔·格雷泽是该论文的合著者。这项工作得到了上海智能电子与系统研究所、博士后科学基金、国家自然科学基金和中国博士后国际交流与引进项目的支持。

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工作条件下气相辅助沉积FAPbI3电池500小时稳定性研究:(a)能量转换效率(b)短路电流(c)开路电压(d)填充因子(e)正反扫功率比

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/eabb8985

涞源

信息科学与工程学院

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