今日Science：晶面设计提升钙钛矿太阳能电池抗水性能!
今日Science：晶面设计提升钙钛矿太阳能电池抗水性能!
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第一作者：Chunqing Ma, Felix T. Eickemeyer
通讯作者：Seok Joon Kwon, Michael Grätzel, Nam-Gyu Park
通讯单位：韩国成均馆大学，瑞士洛桑联邦理工学院
【研究亮点】
2019年北卡罗莱纳大学黄劲松教授课题组在Science发文”Stabilizing halide perovskite surfaces for solar cell operation with wide-bandgap lead oxysalts” 使用表面钝化修饰策略，显著提高钙钛矿太阳能电池材料的抗水氧性能。 今日，韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授，Seok Joon Kwon教授联合瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授等人Science发文揭示了 甲脒碘化铅(FAPbI 3 )钙钛矿薄膜的晶面依赖性降解的潜在机制。结果表明(100)面比(111)面更容易受到水分引起的降解影响 。作者通过结合实验和理论研究，揭示了降解机制：延长的铅-碘(Pb-I)键距和强水吸附将导致(100)面上的δ相变。 通过结构设计可以实现让(111)面占据更多表面，并且(111)晶面为主的FAPbI 3 薄膜展现了出色的抗水稳定性。
【主要内容】
尽管光电转换效率超过25%，但稳定性是阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的最紧迫问题之一。混合钙钛矿薄膜因水分、热应力和光而降解是一个复杂的过程，涉及晶体结构、成分、薄膜形态和光电特性的变化。对于最有前途的基于甲脒(FA)钙钛矿FAPbI 3 来说尤其如此，它仅在高于150°C的温度下以热力学稳定的光活性α相存在，在室温下迅速转变为光惰性δ相。尽管目前对降解的研究取得了很大进展，但对不同晶面在降解过程中的作用缺乏基本的了解。暴露在环境（水分、氧气等）中的是钙钛矿表面上的晶面，这些晶面可能首先降解。因此，要了解钙钛矿薄膜的整体稳定性，首先要了解钙钛矿晶面的稳定性和降解行为。不同的晶面具有不同的原子排列和配位，这会导致不同的原子排列形态，进而导致不同的电子、物理和化学性质。因此，预计各个面会因不同的动力学而发生退化，并且热力学不稳定的面易于退化并驱动整体退化。尽管晶面对降解过程至关重要，但目前尚未有研究尝试了解钙钛矿晶面的稳定性和降解行为。
鉴于此， 韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授， Seok Joon Kwon教授联合瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授等人报告了FAPbI 3 钙钛矿薄膜中(100)和(111)面的降解过程的直接观察结果，并展示了如何使用配体辅助的钙钛矿薄膜生长来合成表面以(111)面为主的薄膜，从而实现对水分（高达85%的相对湿度）和热应力(85°C)的高稳定性。 研究人员发现直接证据表明，在钙钛矿薄膜中占主导地位的(100)面限制了钙钛矿的整体稳定性，并在暴露于水分时表现出向δ相的快速相变，而(111)面则对水分驱动的降解更稳定。基于具有明确晶面的单个晶体的原位表征、非原位测试和理论计算，作者表明 羟基化后强水吸附和延长的Pb-I键距是导致 δ 相变的原因。更重要的是，形成的δ相大大降低了(100)面的光电特性。 由于(111)面对相变表现出高势垒，因此作者提出了配体辅助(111)面优先生长的晶面设计策略。(111)晶面主导的薄膜在没有任何表面钝化的情况下显示出对热应力和水分的出色稳定性。研究结果展现了钙钛矿太阳能电池明显的晶面依赖性降解，这为利用晶面设计稳定的钙钛矿太阳能电池提供了重要的见解。
Fig. 1 | Facet identification and facet-dependent degradation of FAPbI 3 perovskite thin films.
Fig. 2 | Optoelectronic properties on the degraded (100) and (111) facets.
Fig. 3 | Mechanisms for facet-dependent degradation.
Fig. 4 | (111) facet–dominated FAPbI 3 perovskite thin film has better stability.
【文献信息】
Chunqing Ma, et al. Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells. Science. 379, 173-178 (2023).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3349
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