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合肥物质科研院：钙钛矿薄膜均质化策略提高转换效率！

对于太阳能电池这种重要的替代能源来说，追求更高的转换效率并试图尽可能长时间地保持电池稳定是全世界科学家和工程师正在努力解决的核心问题。

卤化铅钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其高效率而被广泛研究，但可以看到这些电池的转换效率增长率急剧放缓。值得注意的是，之前对这些电池的大多数研究仅限于表面、掺杂剂和成分水平。

基于此，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员、叶加久博士和田兴友研究员团队与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授、华北电力大学戴松元教授合作，可视化了钙钛矿薄膜沿垂直方向的面外成分不均匀性，并确定了根本原因和对器件的潜在影响。然后设计了一种使用 1-(苯基磺酰基)吡咯 (PSP) 来均匀化钙钛矿薄膜中的阳离子成分的策略。由此产生的 p-i-n 器件获得了经认证的 25.2% 稳态 PCE 和持久稳定性。相关成果以“Out-of-plane Cations Homogenise Perovskite Composition for Solar Cells”为题，于2023年11月2日加速在线发表（AAP）在Nature杂志上。固体所博士研究生梁政为该论文第一作者，南方科技大学章勇博士、固体所博士研究生徐慧芬为共同第一作者。值得一提的是，2022年硕士研究生梁政就以第一作者的身份发了一篇《AM》，所以今年，梁政才刚刚读博士。

【面外阳离子非均匀性】

基于多年在该领域的工作，研究团队意识到钙钛矿薄膜内部不可避免地会发生相分离，从而影响或更准确地说，损害电池的转换效率和稳定性。

潘旭教授直言：“我们从之前的工作中都知道，不同组的阳离子分布不均匀，但这些阳离子到底是如何分布的、其背后的原因以及它如何影响效率仍不清楚。”

为了了解钙钛矿薄膜中阳离子的行为方式，研究团队决定选择FA1-xCsxPbI 3体系为出发点，通过进行元素定量分析，探究了FA（甲脒）和Cs（铯）阳离子在垂直方向上的分布。他们结合了飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和X射线光电子谱（XPS）技术，深入研究了这一问题，并发现了有趣的现象：无机Cs阳离子更倾向于富集在薄膜的底部，而有机FA阳离子则富集在薄膜的顶部界面。在此基础上，研究小组进一步深入分析了钙钛矿薄膜中晶相的分布情况。通过掠入射X射线衍射（GIXRD）和透射电子显微镜（TEM）分析，他们证实了薄膜底部存在面间距较小的晶相，并且在这一区域显示出与富含Cs的钙钛矿相关的特征信号。这些实验结果充分展示了阳离子在薄膜表面外方向上的非均匀梯度分布，这也是首次可视化证明了钙钛矿薄膜中阳离子成分的非均匀分布。

图 1. 存在空间垂直FA-C相偏析。

【FA-Cs 相分离的起源】

进一步，他们采用原位试验方法，进一步研究了梯度不均匀分布的根本原因，他们发现不同阳离子在结晶和相转变过程中的速率差异是导致组分不均匀的主要原因。研究人员确定了关键问题后，随后提出了一种策略：设计了PSP分子，以调整不同阳离子之间的结晶和相转速率差异，从而制备出均匀分布的钙钛矿薄膜。这种均匀分布阳离子组分的钙钛矿薄膜成功地抑制了底部富Cs相引起的准I型能级排列，显著提高了载流子的寿命和扩散长度，并增强了载流子的界面抽取效率。

图 2. 揭示 FA-Cs 相分离的起源

【光电特性与器件性能】

研究小组采用PSP策略成功制备了反式钙钛矿太阳电池，实现了26.1%的最高效率性能，在第三方认证下，转换效率显着提高至 25.2%。更重要的是，电池表现出良好的长期稳定性，即使在最大功率点跟踪 2500 小时后，未封装的器件的转换效率仍高达原始值的 92%。据公开报道，这追平了转换效率的记录。在相同条件下，参考器件的PCE下降至初始值的80%左右。使用封装器件在85℃和85%相对湿度的老化箱中进行湿热实验。经过PSP处理的设备平均在300多个小时后表现出近90%的效率，而参考的初始PCE约为80%。

图 3. 光电特性

图 4. 设备性能与稳定性

【总结】

本文可视化了钙钛矿薄膜沿垂直方向的空间不均匀相分布，并提出器件性能受到面外成分不均匀性的限制。此外，他们发现A位组分之间的不平衡结晶和相变过程对FA-Cs相分离有显着影响。为了解决这个问题，他们设计了一种策略，采用PSP作为添加剂来延缓FA-Cs钙钛矿的阳离子偏析行为。经过PSP处理的p-i-n结构器件产生了26.1%的最高效率PCE（经认证的反向PCE为25.8%，经认证的稳态PCE为25.2。

这项研究工作表明，通过调整钙钛矿组分在面外分布的均匀性，可以获得出色的电池性能，同时为提高电池设备的稳定性开辟了新的途径。这一突破有望克服钙钛矿太阳电池效率上的瓶颈，并为进一步提高高效且稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向，对于推动钙钛矿太阳电池向商业化发展迈出重要一步。

来源：高分子科学前沿

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