燃炸了！仅一周，北大周欢萍教授再发Science！
学术
2025-01-17 07:09
广东
甲脒三碘化铅（FAPbI3）被认为是高性能单结太阳能电池最有希望的组成材料。然而，非合金化的α-FAPbI3相对于光惰性的δ相是亚稳态的。在此，北京大学周欢萍教授等人开发了一种动力学调制策略，通过共生成的挥发性碘插层和脱层辅助制备高质量且稳定的非合金化α-FAPbI3薄膜。碘的插层促进了角共享Pb-I框架构建块的形成，并降低了α-FAPbI3形成的动力学障碍，而碘的脱层则改善了最终钙钛矿薄膜的质量，包括组成纯度和整体均匀性。基于这种非合金化α-FAPbI3（不含其他外在组成离子）的太阳能电池实现了超过24%的光电转换效率。这些设备还表现出出色的耐久性，在85°±5°C的光照下运行超过1100小时后，仍保持其原始光电转换效率的99%。相关文章以“Nonalloyed α-FAPbI3 formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation”为题发表在Science上。这也是周欢萍教授时隔一周再发Science！（北京大学，2025年首篇Science！）钙钛矿太阳能电池（PSCs）已展现出卓越的光电转换效率（PCE）和低制造成本，但PSCs的长期稳定性不佳阻碍了其商业化。添加剂工程、界面工程和传输层设计已将PSCs的运行寿命延长至数千小时，但混合钙钛矿吸光剂的固有不稳定性仍是其全面商业部署的主要障碍。甲脒三碘化铅（FAPbI3）被认为是单结PSCs最有竞争力的吸光剂，但其存在复杂的结晶动力学和热力学亚稳态问题，制备非合金化且高质量的α-FAPbI3钙钛矿薄膜一直是个难题。挑战包括α-FAPbI3相较于非光活性的δ-FAPbI3具有较高的成核障碍、FAI的质量传输限制，以及与α相降解相关的对湿气的敏感性，这通常会导致薄膜晶体质量低和稳定性差。通过动力学调制钙钛矿结晶过程可以有效缓解这些问题。这可以通过铵阳离子合金化（如甲基铵（MA+）、噻吩甲基铵（TMA+）和丙基铵（PA+））和卤素或拟卤素掺杂（如Cl⁻、硫氰酸根（SCN⁻）和醋酸根（Ac⁻））以及使用具有合适晶格结构的籽晶来模板化生长（如二维钙钛矿）来实现。然而，这些方法通常会通过残留的组成添加剂在FAPbI₃中引入额外的不稳定性因素，可能会导致阳离子-阴离子分离（例如，FA⁺/MA⁺、I⁻/Cl⁻）、热分解（如MA⁺），甚至FA⁺与路易斯碱（如铵基团）之间的亲核反应。此外，用于通过缓解晶格应变来制备纯α-FAPbI3的制造技术（如溶剂退火、湿气诱导的相变和红外热退火）与合金化钙钛矿相比可能表现出不尽人意的性能，可能是因为它们的薄膜质量较差。本文通过一种碘插层-脱层策略来制备高质量、非合金化的α-FAPbI3钙钛矿薄膜。共生成的挥发性添加剂碘（I2）通过与碘离子反应形成多碘化物（如I3-），特别是钙钛矿-碘复合物中间体，从而改变了反应路径。这些中间体为α-FAPbI₃钙钛矿的形成提供了足够的角共享Pb-I框架构建块，并降低了反应活化能。在退火过程中，碘可以从最终薄膜中逸出，不留残留添加剂，从而获得均匀性和晶体质量增强的薄膜。采用这种非合金化α-FAPbI₃的太阳能电池PCEs > 24%。此外，改进的PSCs展现出出色的运行稳定性，在运行1180小时（100 mW cm-2，85°C）后仍保持其初始PCE的99%。这项研究突出了非合金化FAPbI₃（不含其他离子如MA⁺、Cs⁺、Br⁻和SCN⁻）对于钙钛矿材料固有稳定性的重要性，并阐明了碘化学如何动态调制亚稳态钙钛矿以及其他具有软离子晶格的光电子材料的形成路径。图1：非合金α-FAPbI3碘介导形成的设计原理和概念验证。总的来说，本文展示了一种通过共生挥发性碘插层和脱层来调节结晶动力学的策略，从而制备出高质量且稳定的非合金化α-FAPbI3钙钛矿薄膜。I2和形成的多碘化物有助于角共享的碘化铅框架的成核，有效降低了α-FAPbI3形成的动力学障碍。并且，在退火过程中碘的完全升华确保了最终钙钛矿薄膜在组成纯度和整体均匀性方面的质量。基于所得的非合金化α-FAPbI3吸光剂，最佳太阳能电池实现了24.1%的光电转换效率（PCE）。值得注意的是，优化后的设备展现出改善的长期稳定性，在85°C下，以100 mW cm-2的光照进行最大功率点（MPP）跟踪，运行1180小时后，初始效率仅损失约1%。Yu Zhang†, Yanrun Chen†, Guilin Liu, Yuetong Wu, Zhenyu Guo, Rundong Fan, Kailin Li, Huifen Liu, Yepin Zhao, Tim Kodalle, Yihua Chen, Cheng Zhu, Yang Bai, Qi Chen, Huanping Zhou*, Nonalloyed α-FAPbI3 formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads8968🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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