李闻哲教授、范建东教授，ACS Energy Letters观点：在无机钙钛矿太阳电池中通过可旋转骨架结构抑制缺陷的受热聚集
文 章 信 息
在无机钙钛矿太阳电池中通过可旋转骨架结构抑制缺陷的受热聚集
第一作者：吴雯雯
通讯作者：李闻哲*，范建东*
单位：暨南大学，山东大学
研 究 背 景
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 成为最有前途的光伏技术之一，其功率转换效率 (PCE) 在短短几年内就从 3.8% 快速提升到 25.7%。但是，有机-无机杂化 PSCs中的有机组分受热易分解，而无机钙钛矿 CsPbI3-xBrx (0 ≤ x ≤ 3) 太阳能电池因其卓越的性能成为最具吸引力的新型光伏材料之一。但是，无机PSCs的PCE仍然远远落后于S-Q理论效率极限，因此需要解决由电荷反向复合引起的开路电压 (VOC)损失。其中碘空位缺陷聚集容易引起无机钙钛矿的非辐射复合和非光伏相变。
文 章 简 介
基于此，暨南大学教授李闻哲、范建东在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Rotatable Skeleton for the Alleviation of Thermally Accumulated Defects in Inorganic Perovskite Solar Cells”的观点文章。该观点文章合成了具有自旋结构的钙钛矿材料，即TrMAPbX3(X=Br, I)。将1D钙钛矿材料引入CsPbI3-xBrx无机钙钛矿薄膜中，表征测试及理论计算结果表明TrMAPbX3可以抑制器件运行过程中空位缺陷的积累，进一步避免了δ相变和电荷传输阻力，并提高了钙钛矿器件的性能。
图1. TrMAPbX3 (X=Br, I) 钙钛矿单晶结构示意图、异质结匹配及Cs-X配位结构。
图2. 电荷传输动力学的理论模拟图、相应透射系数谱和积分谱。
图3. 无机钙钛矿太阳电池器件的性能数据图。
本 文 要 点
要点一：混合薄膜的晶体结构
我们通过对钙钛矿薄膜进行退火，借助原位 X 射线衍射 (XRD) 表征追踪薄膜物相变化。随着退火时间的过度延长，薄膜从 γ 相变为 δ 相。然而，δ-CsPbI3 和 PbI2 杂质的出现通常不利于器件的光伏性能。为了调节结晶动力学并避免相变，我们设计并合成了一种新型 TrMAPbX3(X=Br, I) 单晶，热分解温度高达 350 °C，并随着温度变化出现不同程度的骨架自旋。TrMAPbX3的加入调节了钙钛矿结晶动力学并延长了黑相的存在时间。
要点二：热力学缺陷和钝化
空间电荷限制电流 (SCLC) 测试结果表明，空穴缺陷态密度从9.41×1014显著降低到 3.08×1014 cm-3。原位拉曼光谱研究发现，由于骨架中Cs+离子的强烈振动加速了CsPbI3薄膜的δ相变。TrMAPbX3 的可旋转骨架可以稳定无机钙钛矿 [PbX6]4- 骨架，然后降低 Cs+ 振动诱导相变的风险。使用原位J-V/XRD设备来研究钙钛矿薄膜的异质结界面缺陷行为。选择660nm单色光来激活太阳能电池器件工作并研究器件异质结界面处的缺陷行为。掺杂钙钛矿的相稳定性、暗电流密度、-3 dB截止值等参数在受热后均优于空白器件。由TrMAPbX3构建的稳定界面结构有助于器件在很宽的温度范围内实现高性能响应。
要点三：缺陷迁移对相稳定性和电荷传输的影响
点缺陷在电场作用下发生迁移，所形成的电荷复合中心能够吸引和捕获自由电荷。当太阳能电池工作时，不可避免地会促进缺陷距离缩短并小于阈值，进而形成深缺陷态。密度泛函理论（DFT）研究表明 TrMAPbX3 可以显著抑制缺陷的接近和聚集。为了研究受缺陷积累影响的电荷传输行为，非平衡格林函数 (NEGF) 的理论研究表明，抑制缺陷聚集可以有效减弱缺陷对电荷传输的阻碍作用。
要点四：太阳能电池的性能
优化后的无机钙钛矿太阳电池达到了20.59%的能量转换效率。并且我们对器件进行了各项稳定性测试，在氮气、空气、加热等环境条件下测试得到的稳定性结果表明，结构调控后的稳定性大幅度提升。将器件置于温度25 °C、湿度25%的环境条件中，可以在运行3055h后保持91%的原始效率。器件在空气氛围（湿度约为25%）中置于85 °C加热运行194h，仅损失了16%的初始效率。
要点五：前瞻
通过自合成1D可旋转骨架的钙钛矿结构与3D无机钙钛矿结构形成紧密稳定的异质结，可以有效减少空位缺陷，稳定物相，并且得到的器件也具有出众的能量转换效率和优异的稳定性。提出了一种通过1D可旋转骨架钙钛矿抑制热致缺陷聚集的方法，该方法为高性能钙钛矿太阳电池的制备提供了理论和技术基础。
文 章 链 接
Rotatable Skeleton for the Alleviation of Thermally Accumulated Defects in Inorganic Perovskite Solar Cells
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c00535
通 讯 作 者 简 介
李闻哲教授简介：2017年1月毕业于清华大学，获得理学博士学位。攻读博士研究生期间由国家留学基金委公派到英国牛津大学接受联合培养。2017年1月加入暨南大学信息科学技术学院、新能源技术研究院，现任教授。主要研究内容包括新型钙钛矿材料结构设计与制备，光伏、光电器件的性能研究。
在Chem，Journal of the American Chemical Society，Energy & Environmental Science，ACS Energy Letters，Advanced Energy Materials，Advanced Function Materials等国际顶级SCI刊物以一作或者通讯作者发表论文。获得国家基金面上项目，广东省杰出青年项目支持。
范建东教授简介：2013年在巴塞罗那大学获凝聚态物理博士学位。2013年至2015年分别在澳大利亚斯威本科技大学和英国牛津大学从事博士后研究工作。于2016年加入暨南大学信息科学技术学院、新能源技术研究院。研究方向主要集中在新型半导体材料的合成、晶体学微结构、薄膜制备及其光电子和光伏器件的研发。
近年来，以第一作者或通讯作者在Journal of the American Chemical Society（2篇）, Advanced Energy Materials（5篇）, Advanced Function Materials（5篇）等国际知名刊物发表SCI论文80余篇，授权国家发明专利20余件，以第一负责人承担多项省部级纵向项目及人才项目，包括国家自然科学基金面上项目，广东省“珠江人才”项目，河北省“百人计划”特聘教授项目等。
第 一 作 者 简 介
第一作者吴雯雯为暨南大学在读硕士生。
课 题 组 招 聘
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致谢
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