材料学院谢江生/高平奇团队和朱升财课题组Nature Communications： 抑制缺陷诱导的甲脒基钙钛矿相变实现高效稳定太阳能电池

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电特性得到广泛关注。目前高效钙钛矿电池通常采用甲脒铅碘钙钛矿 (FAPbI₃) 作为光吸收层，因其具有更接近Shockley-Queisseri极限的理想带隙以及更好的热稳定性。虽然单晶FAPbI₃钙钛矿具有较好的相稳定性，然而，由于用于吸光的通常为多晶薄膜，其中大量难以避免的缺陷使得FAPbI₃在常温下容易从具有光学活性的钙钛矿黑相 (α相) 转变到非光学活性的黄相 (δ相)，影响电池的性能和稳定性。因此，获得低缺陷密度的α-FAPbI₃对于实现高性能和稳定性钙钛矿电池至关重要，目前研究者们通常采用各类表界面钝化策略稳定钙钛矿黑相。然而，各种缺陷对α相FAPbI₃稳定性的影响仍不清楚; 另外，目前常用的钝化层往往自身也存在不稳定问题。

本工作中，我们首先利用密度泛函理论，模拟了FAPbI₃从α相到δ相的转变途径，系统地研究了各类缺陷生成能的大小以及其对钙钛矿α-δ相变能垒的影响。模拟结果表明：碘空位缺陷 (V_I) 在钙钛矿表面具有最低的生成能，且会降低钙钛矿从α到δ相的相变能垒。为此，我们在钙钛矿上表面原位生成了一种具有强键合作用的致密草酸铅层，该物质化学性质稳定且不溶于水，可以保护钙钛矿表面免受外界湿气腐蚀和提高钙钛矿碘空位缺陷生成能，其较大的空间位阻可有效抑制碘离子的扩散，从而有效稳定了α-FAPbI₃钙钛矿相。草酸铅层同时大幅降低了钙钛矿表面的非辐射复合，使其具有更高的荧光强度和更长的载流子寿命。最终，基于上述策略，我们所制备的FAPbI₃钙钛矿太阳能电池实现了25.39%的光电转换效率 (第三方认证效率24.92%)。同时，器件稳定性也实现了显著提高，在最大功率点连续光照550小时后，可保持其初始效率的92%。本研究针对目前主流的甲脒基钙钛矿相稳定性提供了新的基础性理解，同时为如何设计有效、稳定的钝化策略提供了思路。

图1. 第一性原理计算研究

图2. FAPbI₃薄膜的稳定性测试

图3. 载流子提取和光伏特性

图4. 电池的稳定性测试

上述成果于2023年9月30日以“Inhibition of defect-induced α-to-δ phase transition for efficient and stable formamidinium perovskite solar cells”为题，发表于Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-023-41853-y.)。威廉希尔WilliamHill官方网站料学院2020级博士生陈甜为论文第一作者，谢江生副教授、朱升财副教授和高平奇教授为论文的共同通讯作者。上述工作得到了深圳市基础研究重点项目、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金联合基金、中央高校基本科研业务费（中山大学）专项资金资助。