河北大学团队造出新型太阳能电池，实现24.76%的光电转换效率

基于国家的双碳目标发展战略，光伏能源的前景十分可期。钙钛矿材料由于其带隙可调、成本低廉以及工艺简单的独特优点，受到科研人员的广泛关注。仅仅十余年的时间，钙钛矿太阳能电池便实现 26% 的光电转换效率，远远超出人们预料。

【资料图】

带隙为 1.48eV 的 FAPbI3，由于其理想的光学带隙，从而更加接近单结电池的最佳值，受到特别的关注。但是，科学家发现具有光学活性的 α-FAPbI3 在室温下不稳定，很容易转化成非光活性的 δ-FAPbI3，这是因为甲脒离子（FA+）具有较大的离子半径。

研究发现，甲胺盐酸盐（MACl）辅助结晶，是有效解决 δ-FAPbI3 不稳定问题的常用策略。然而，大量的甲胺盐酸盐引入 FAPbI3 体系之后，不可避免会导致 MA 组分残留在钙钛矿薄膜中，从而形成 FA1-xMAxPbI3 合金钙钛矿结构。这将导致钙钛矿的带隙发生蓝移，不利于实现高的光电转换效率。

而无甲胺盐酸盐辅助结晶的薄膜，又难以实现完全的相转变（从 δ 相到 α 相），同样不利于实现高的器件性能。

因此，同时保证窄的带隙和高的 α 相纯度，是甲脒钙钛矿体系迫切需要解决的难题。而且，由于晶格失配，导致其产生的残余应力，是导致 FAPbI3 晶体结构不稳定的主要因素，所以通过提供外部的压缩应力，抵消晶体内部的拉伸应变，可能是稳定 α-FAPbI3 的有效策略。

针对这一问题，河北大学教授何庭伟设想通过调控 FAPbI3 钙钛矿的晶格应变，以期同时实现红移的光学带隙和稳定的 α-FAPbI3。

在 FAPbI3 薄膜中，晶界是最容易发生相转换的区域，因此在晶界处引入大尺寸有机阳离子，可能是对甲脒钙钛矿薄膜中残余应力调节的有效策略。

图 | 何庭伟（来源：何庭伟）

基于此，何庭伟团队在密度泛函理论的帮助下，设计了一种功能化的有机胺（4- 芘氧基丁胺，PYBA）。通过表征得知 PBYA 阳离子对，不仅可以缓解 FAPbI3 晶体的固有拉伸应变，还能实现含有带隙红移 α-FAPbI3 的甲脒钙钛矿薄膜，并能诱导 α-FAPbI3 的择优取向生长。最终，课题组实现了 24.76% 的光电转换效率，并改善了器件的运行稳定性。

日前，相关论文以《晶格应变调节实现高性能甲脒基钙钛矿光伏》（Lattice Strain Regulation Enables High-Performance Formamidinium Perovskite Photovoltaics）为题发在 Advanced Materials 上[1]，河北大学硕士研究生王瑞、李昕昊、齐佳慧为共同一作，何庭伟担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

审稿人评价称：“（作者）致力于解决 FAPbI3 钙钛矿体系存在的问题。（论文）阐明了应力调节甲脒钙钛矿晶体结构的作用机制，为进一步制备更高性能的钙钛矿太阳能电池提供了新思路，使得 FAPbI3 钙钛矿体系往前迈进一大步。”

评审意见还指出这篇论文富有创意，在总结前人成果的基础上加以分析，通过计算选定了一种材料，确确实实是追求问题的解决，而不是简单地为了发现而发现。

概括来说，这项工作主要阐明了应力调节甲脒钙钛矿晶体结构的作用机制，为解决甲脒钙钛矿的残留晶格应变问题提出了新策略，也为进一步制备更高性能的钙钛矿太阳能电池注入新思路。

未来，FAPbI3 体系肯定会朝着更高的效率前进，这就要求带隙要尽可能地窄以及尽可能地稳定，而本次成果则为如何保持其窄带隙带来了独特的视角。

钙钛矿晶体中应力问题，已被证实存在于多种钙钛矿薄膜体系中，除了甲脒钙钛矿体系，还有宽带隙钙钛矿体系、锡铅混合钙钛矿体系等。

而通过设计合适的有机分子，来调控不同钙钛矿体系中应力——是一个需要继续深入解决的关键科学问题。

由不同钙钛矿体系组合而制备的钙钛矿-钙钛矿叠层太阳能电池，也是太阳能电池领域未来发展的重要方向。目前，已得到公开报道的“钙钛矿-钙钛矿叠层太阳能电池”的光电转换效率，已经超过单结钙钛矿太阳能电池，这突破了材料的 Shockley-Queisser（S-Q）极限，这也将对太阳能电池的产业化产生重大影响，直接能让其和硅基太阳能电池竞争，并有希望改变现有的光伏产业的格局。

而在本次研究中，何庭伟等人先是总结了先前研究者关于 FAPbI3 体系的研究成果，其发现 FAPbI3 钙钛矿太阳能电池的理论效率极限远高于目前的研究水平。因此，他们开始寻找制约其体系效率提升的关键因素。

通过大量的实验，他们发现甲胺盐酸盐辅助的甲脒钙钛矿薄膜的带隙，仍宽于其理论带隙。讨论之后该团队认为，这应当与甲脒钙钛矿薄膜的相纯度相关。

这样来看，甲胺盐酸盐辅助结晶是有效解决 δ-FAPbI3 不稳定问题的常用策略。然而，大量的甲胺盐酸盐引入到 FAPbI3 体系中，不可避免地导致 MA 组分残留在钙钛矿薄膜中，形成 FA1-xMAxPbI3 合金钙钛矿结构。这将导致钙钛矿的带隙发生蓝移，不利于实现高的光电转换效率。

而无甲胺盐酸盐辅助结晶的薄膜又难以实现完全的相转变（从 δ 相到 α 相），同样不利于实现高的器件性能。另外，保证窄的带隙和高的 α 相纯度，也是甲脒钙钛矿体系迫切需要解决的难题。

随后，他们对这一问题进行深度剖析。由于 FA 阳离子的离子半径较大，室温下黑色的 α 相钙钛矿是亚稳态相。

在低温条件下，FAPbI3 钙钛矿晶体会以 β 相（151K）或 γ 相（91K）的形式存在。而在高温条件下（423-458K），非光活性 δ 相可以直接转化为 α 相。

在 FAPbI3 钙钛矿晶体中，大尺寸的 FA 阳离子导致钙钛矿晶格失配，从而残存晶格应力，常温下 FAPbI3 会从 α 相转变为 δ 相，这会诱导钙钛矿晶体的各向异性晶格应变。

何庭伟思考的是：是否可以通过改变钙钛矿晶格中的晶格应力，在稳定 α-FAPbI3 相的同时，使得 FAPbI3 钙钛矿的带隙红移至接近其理论值，进一步拓宽光子的吸收范围。

此前，北师大团队通过密度泛函理论，模拟了不同应力条件下钙钛矿晶体的电学特性，他们发现应力条件会改变晶体能级结构，进而影响缺陷类型和载流子传输行为的变化。这一研究为何庭伟的设想提供了理论支撑。

考虑到课题组自身的优势，即何庭伟等人拥有调控钙钛矿薄膜的结晶行为和揭示器件载流子传输动力学的研究经验。于是在 2020 年，在深入了解钙钛矿晶体结构的基础上，他们对准二维钙钛矿材料的能级结构实现有效调节，并成功调控了钙钛矿薄膜的结晶动力学行为，实现了具有均一能级的准二维钙钛矿薄膜。

接着，他们深入分析了均一能级分布与钙钛矿太阳能电池开路电压改善的物理机制。

刚开始做实验时，实验结果总是不稳定，不同批次器件的实验结果总是前后不一，这就需要课题组从细节处入手，找到影响实验的因素。

后来，偶然间何庭伟看到一篇文献，上面报道湿度对于钙钛矿退火的影响，这给他们带来了启发：湿度会不会也对钙钛矿有影响？经过一系列实验对比后发现，其发现当湿度保持在 30%-40% 之间时，整体效率是最好的。

在理论计算的指导下，通过设计功能化的有机分子胺盐，并将其引入到钙钛矿的晶界处，他们成功调整了 FAPbI3 钙钛矿的晶格应力分布。

在实现稳定的 α-FAPbI3 相的基础上，还要尽可能地减少对 FAPbI3 钙钛矿本征光学带隙的影响。通过对钙钛矿薄膜的结晶动力学调控和载流子动力学分析，对于不同应力作用对 FAPbI3 钙钛矿薄膜的光学和电学性能、及其稳定性影响的物理机制，课题组有了更多理解。

同时，通过分析 FAPbI3 钙钛矿薄膜的能级结构变化，优化太阳能电池的器件结构，最终实现了最佳的光电转换效率。

（来源：Advanced Materials）

未来，该团队会继续要沿着 FAPbI3 这条主线发展，推动这一体系朝着更高的转化效率前进。与此同时，也会有相应的拓展，目前钙钛矿电池的最高效率已经接近硅基钙钛矿，工业化生产的需求也迫在眉睫，这要求朝着大面积的方向发展。

面积越大，伴之而来的晶界缺陷也就越来越多，这种策略是否还会有用，效果是否还会这么明显？这些都需要课题组做进一步的研究。

而且，他们也可以尝试将这种实验材料以及思路用于其它体系的钙钛矿中。譬如，宽带隙钙钛矿由于 I- 与 Br- 的存在，通常会有相偏析的现象，那么运用本次方法会不会有一定改善，这些都是可以研究的方向。

另据悉，何庭伟博士毕业于南开大学。2022 年，他以“高层次人才”引进至河北大学物理科学与技术学院担任校聘教授一职。

其表示：“河北大学对光伏器件的研究与开发有着完善的实验设施，拥有 7 套造价 40 万元以上的大型仪器设备。这为我们的科研提供了良好的平台。此外，河北大学领导特别尊重人才，为刚引入的高层次人才营造了良好的科研环境和学术氛围，给予充足的科研经费支持，并设立各种奖励项目，让我们可以沉下心来认真搞科研。”

参考资料：

1.Wang, R., Li, X., Qi, J., Su, C., Yang, J., Yang, S., ... & He, T. (2023). Lattice Strain Regulation Enables High‐Performance Formamidinium Perovskite Photovoltaics. Advanced Materials, 2304149.

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