周欢萍课题组在《自然》发文报道高效稳定钙钛矿太阳能电池方面的重要进展

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材料的晶体质量、纯度与材料的制备方法密切相关。近年来，得益于有机无机杂化钙钛矿材料优异的光电性质，原料成本低廉，可溶液加工等特点，其光电器件研究进展迅猛。然而，钙钛矿合成反应迅速，组分易迁移扩散，且常常伴随溶剂参与的中间相及其他杂相（如δ相）的生成。这导致薄膜中存在多尺度缺陷，尤其是原子尺度点缺陷及纳米尺度的相杂质等不易被常规方法检测的缺陷，这阻碍器件效率与稳定性的进一步提升，亟需更为精准的调控薄膜生长，有效抑制纳米与原子尺度缺陷的生成，实现高质量钙钛矿薄膜的可控制备，进而推动钙钛矿光伏技术的产业化进程。
        为实现更为可控的钙钛矿薄膜生长，北大材料科学与工程学院周欢萍教授课题组突破基于阳离子B位配位相互作用的传统思路，提出了全新的方法。课题组基于阴离子-π相互作用，引入缺电子受体与钙钛矿中的阴离子X位结合，精准调控合成反应动力学，获得了更高质量的晶体，有效抑制了纳米与原子尺度缺陷，尤其是阴离子-π相互作用与配位相互作用分别针对两个独立的反应物位点，为钙钛矿薄膜的可控生长提供了全新的调控工具。研究成果以“Anion-π interactions suppress phase impurities in FAPbI3 solar cells”为题，于2023年10月18日在线发表于《自然》（Nature）期刊上（doi: 10.1038/s41586-023-06637-w）。

        迄今为止，调控钙钛矿薄膜生长的最有效方法主要通过前驱体与BX2中的B位金属配位形成中间相，起到抑制形核，调控生长的效果。这是由于B位金属具有空轨道，可与具有给电子能力的分子结合。相对地，AX成分中的X位点是富电子的阴离子，因此也存在能够与缺电子体系发生相互作用的分子，从而调节钙钛矿生长的可能性。与传统方法中钙钛矿BX2组分作为电子受体、外源调节剂分子作为电子给体不同，在该新方法中，钙钛矿AX组分充当电子给体，利用具有电子受体功能的外源分子作为调节剂。该工作首次实现通过与AX的结合调控生长制备高质量的钙钛矿薄膜，证实了AX位点可作为钙钛矿生长调控的反应活性位点，拓展了钙钛矿材料生长中的反应活性位点选择，为材料生长提供了新思路。
         研究表明，阴离子-π相互作用广泛存在于AX组分与缺电子芳香体系之间。该工作通过采用具有强缺电子性的六氟苯分子，增强了阴离子-π相互作用的强度，使得该作用力强度足够影响钙钛矿薄膜的生长过程。在通常的钙钛矿前驱体中，设计中间相形成、抑制成核及调控生长的最基本化学相互作用是配位作用及离子键。而该新方法拓展了前驱体中的作用力范围，使阴离子-π相互作用可用于调控材料生长，为材料生长调控作用力的选择提供了新的指导。
         此外，这种基于AX组分位点的调节方法与传统基于BX2组分位点的调节方法独立生效，且可协同发挥作用，因而可实现材料双位点生长调节。巧妙的是，不同于通常单一位点调节方法形成的中间相，该双位点调节所形成的中间相不是结晶态，而是更接近于湿膜状态，因而实现了在反应温度下直接由湿膜形成最终的钙钛矿晶体，而不经历其他高结晶度的中间相。因此，该方法制备的钙钛矿薄膜的组分纯度和相纯度显著提高，尤其是微区的化学异质性和纳米尺度相杂质被消除。该方法制备的钙钛矿材料的载流子寿命增长，结晶度提高，带隙红移，吸收增强。小面积钙钛矿光伏器件（0.08cm2）光电转化效率达到26.04%，认证值为25.8%。大面积器件（1cm2）实现了24.63%的光电转化效率。此外，由于材料组分纯度和相纯度的提高，器件的热稳定性和运行稳定性大幅提高，在最大功率点追踪1258小时后，仍保持了初始效率的94%；在85°C加速老化1255小时后，仍保持初始效率的91%。该方法可提高钙钛矿材料的纯度及晶体质量，可推广至其他的钙钛矿光电器件，且在前驱体中引入阴离子-π相互作用及双位点生长调控的思路，对于其他包含缺电子离子和富电子离子材料的生长调控也具有重要参考意义。
        该论文的第一作者是周欢萍课题组博士研究生黄子健。周欢萍为唯一通讯作者。合作者包括中国科学院物理研究所王立芬课题组、北京大学材料科学与工程学院雷霆课题组、北京理工大学陈棋课题组、江南大学刘桂林课题组。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委、新基石科学基金会所设立的科学探索奖等的联合资助。
        文章来源：北京大学
       周欢萍特聘研究员，北京大学博士生导师,主要集中于稀土材料，半导体材料的多维度控制，包括纳米尺度(可控合成及生长机理、自组装)，微米尺度(薄膜生长，缺陷钝化，界面调控)以及宏观尺度(器件构筑)，及其在催化和能源领域的应用基础研究。在Science、 Nature. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Appl. Phys. Lett.等材料、化学、物理及综合类的国际国内有影响的学术期刊上，累计发表学术论文40余篇，包括Science 2 篇；Nature. Commun. 1 篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇; Nano Lett. 2 篇；Adv. Mater. 3 篇，Adv. Energy Mater. 3 篇，ACS Nano 3篇, Energy Environ. Sci. 2篇等。截止2015年6月被引用2500余次， 涵盖材料、化学、物理、纳米技术、能源、工程等多个学科。在钙钛矿太阳能电池领域所开发的薄膜生长及器件构筑的突破，被多家媒体报道(如science news)，多篇综述评论为该领域的关键发现，亦因此多次在国际重要学术会议上作邀请报告。
       陈棋，北京理工大学教授。2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心从事薄膜太阳能电池研究工作。于2016年3月加入北京理工大学。课题组主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、储能电池、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件，尤其是新型纳米复合结构构筑、纳米结构加工、光电转化及催化等相关工艺开发和交叉前沿项目。迄今发表论文50余篇，引用超过7000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materis等。单篇最高他引超过2000次。