风光如此，诺奖何求！

坡肉先生

2019-07-26

从寂寂无名，到声名鹊起，钙钛矿用了不到十年的时间。所到之处，如风卷残云，所涉及之领域，无不受益无穷。观当今科研领域，如果说有一种材料能够获得下一次诺贝尔奖，钙钛矿无疑是最大的竞争者之一。

2019年以来，钙钛矿风头不减，各大顶级学术期刊几乎每期都少不了钙钛矿的身影，正所谓“一期不见，如隔三秋！”。以能源领域的顶级学术期刊Joule为例，数月以来，钙钛矿光伏类文章持续增多，其中不乏有杨阳、Osman、宋延林、Kai Zhu等领域大牛，还有阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、美国国家可再生能源实验室(NREL)以及韩国多家著名研究机构。

下面，我们摘取JOULE近期的14篇钙钛矿有关研究成果，供大家交流探讨！

1. 双功能氮化钛触点用于高效硅太阳能电池丨2019-04-16

高性能钝化接触是高效晶体硅（c-Si）太阳能电池的先决条件。阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf团队提出了一种基于磁控溅射沉积的氮化钛（TiN）的策略。TiN利于电子传导，阻挡空穴。TiN与超薄SiO₂钝化层（SiO₂ /TiN）结合是在c-Si上的有效电子选择性接触，具有16.4 mΩ.cm²的低接触电阻率和约500 fA/cm²的复合电流参数。通过实现作为表面钝化层和金属电极的双功能SiO₂/TiN接触，基于简单结构的n型c-Si太阳能电池实现了20％效率。这项工作展示了以低成本开发具有双功能金属氮化物触点的高效n型c-Si太阳能电池的方法。

Yang, X. et al. Dual-Function Electron-Conductive,Hole-Blocking Titanium Nitride Contacts for Efficient Silicon Solar Cells.Joule 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.008

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119301023#

2. 研究非富勒烯有机太阳能电池的稳定性的热力学和动力学因素丨2019-04-22

尽管非富勒烯小分子受体（NF-SMA）在有机太阳能电池（OSC）中占据主导地位，但关于其形态稳定性的热力学驱动因素和动力学因素的测量仍欠缺。北卡罗来纳州立大学Harald Ade课题组确定和测量了可结晶NF-SMA混合物中的这些因素，并讨论四个模型系统的亚稳态和玻璃化程度。首次确定了NF-SMA系统中的非晶-非晶相图，并表明深度退火可导致其严重的退化。同时研究了其他四种材料系统的相对相行为。另外，需要通过玻璃化来稳定形态，该玻璃化对应于低于10^-22 cm²/s的扩散常数。研究表明，通过深研究和理解热力学、玻璃化转变温度、扩散性质和相关的结构-功能关系要通过合理的分子设计实现稳定性，需要更加深入地研究和理解热力学、玻璃化转变温度、扩散性质和相关的结构-功能关系。

Masoud Ghasemi et al. Delineation ofThermodynamic and Kinetic Factors that Control Stability in Non-fullerene Organic Solar Cells. Joule 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.020.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30160-6?rss=yes

3. 喝咖啡，使钙钛矿太阳能电池更有劲儿丨 2019-04-25

为了增加钙钛矿太阳能电池的商业前景，需要简单，成本有效且通用的方法来减轻其固有的热不稳定性。UCLA杨阳教授团队和苏州大学王照奎教授采用了1,3,7-三甲基黄嘌呤，一种具有两个共轭羧基的商品化学品，俗称咖啡因，改善了基于MAPbI₃和CsFAMAPbI₃的钙钛矿太阳能电池的性能和热稳定性。咖啡因和Pb²⁺离子之间的强相互作用充当“分子锁定”，其在膜结晶期间增加活化能，提供具有优选取向的钙钛矿膜，改善的电子性质，减少的离子迁移和大大增强的热稳定性。基于咖啡因的纯MAPbI₃钙钛矿的太阳能电池，其最佳效率为19.8％。在85°C的氮气加热下，保留了85％以上的效率。

Wang, R etal. Caffeine Improves the Performance and Thermal Stability of Perovskite SolarCells. Joule 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.04.005.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119301734#undfig1

4. 自发晶种生长, 增强钙钛矿太阳能电池的稳定性丨2019-04-25

对于水分的长期稳定性差的问题仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池用于实际应用的关键挑战。美国国家可再生能源实验室Kai Zhu团队报道了一种顺序应用典型的一步溶液配方-自晶种生长（SSG）的方法，进而实现高品质钙钛矿薄膜，具有降低的缺陷密度，改善的电荷载流子传输和寿命、增强的疏水性以增强稳定性。基于FA/MA/Cs的钙钛矿，SSG器件的效率从17.76％（对照组）提高到20.30％（SSG），在环境中4,680小时后，未封装的器件仍保持初始效率的80％以上。

Zhang, F. etal. Self-Seeding Growth for Perovskite Solar Cells with Enhanced Stability.Joule 2019.

DOI：10.1016/j.joule.2019.03.023.

5. 21.5%效率！量子点助力MAPbI₃钙钛矿太阳能电池丨2019-05-25

钙钛矿薄膜的缺陷钝化和表面改性对于实现高功率转换效率（PCE）和稳定的钙钛矿光伏电池至关重要。阿卜杜拉国王科技大学OsmanM.Bakr团队展示了一种简单的策略，结合了高PCE和MAPbI₃太阳能电池的高稳定性。该策略利用无机钙钛矿量子点（QD）在MAPbI₃薄膜上均匀分布元素掺杂剂，并将配体连接到薄膜表面。与原始MAPbI3薄膜相比，用QD处理的MAPbI₃薄膜显示尾部状态减小，陷阱态密度更小，并且载流子复合寿命增加。这种策略可以降低电压损失，并将PCE从18.3％提高到21.5％，这是MAPbI₃器件的最高效率之一。借助于QD引入的配体使得钙钛矿膜表面具有疏水性，抑制水分渗透。该装置在标准光照射下保持其初始PCE的80％，持续500小时，并显示出改善的热稳定性。

Zheng, X.et al. Quantum Dots Supply Bulk- and Surface-Passivation Agents for Efficientand Stable Perovskite Solar Cells. Joule

DOI：10.1016/j.joule.2019.05.005 (2019).

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243511930217X

6. 6.3%效率！单组分有机太阳能电池的最高值丨2019-05-30

传统的有机太阳能电池（OSC）包括供体和受体的两种组分。单组分OSC（SCOSC）高效器件的开发仍然极具挑战。中科院化学所Li Weiwei和Li Cheng团队设计了一种新的双功能共轭聚合物，其含有作为供体的强结晶主链和作为受体的芳香族侧链。在高温（230 °C）退火下，主链和苝酰亚胺侧链都可以自组装成有序的纳米结构。这实现了有效的电荷传输和低电荷复合，从而SCOSC的效率达到6.3％，这是单组分的最高效率。同时，器件还具有优异稳定性。连续光照300小时后，效率保持率超过 90％。

Feng, G.  et al. Thermal-Driven Phase Separation ofDouble-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells.Joule,2019

DOI：10.1016/j.joule.2019.05.008.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119302478

7. 25.9%效率！高效钙钛矿-CIGS叠层太阳能电池丨2019-05-29

叠层太阳能电池包括窄带和宽带隙吸光层，是实现超高效率和低制造成本最佳光伏器件之一。对于窄带隙CIGS薄膜底部电池而言，高效的多晶宽带隙顶部电池的开发仍是一个挑战。美国国家可再生能源实验室的Kai Zhu团队采用PEAI和Pb（SCN）₂添加剂，制备了高效宽带隙钙钛矿太阳能电池（1.68 eV（FA_0.65MA_0.20Cs_0.15）Pb（I_0.8Br_0.2）₃），实现了20％的效率。PEA⁺和SCN^-产生的协同效应，不仅提高了钙钛矿膜质量和结晶度，减少了过量PbI₂的形成，而且使得薄膜的缺陷密度更低和提高载流子迁移率（~47 cm² V^-1s^-1）和寿命（~2.9 μs）。当通过这种方法制造的半透明1.68 eV钙钛矿顶部电池与1.12 eV CIGS底部电池叠层后，4个子电池串联的电池效率可达25.9％。

Kim, D. H. et al. Bimolecular AdditivesImprove Wide-Band-Gap Perovskites for Efficient Tandem Solar Cells with CIGS.Joule, 2019

DOI：10.1016/j.joule.2019.04.012.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119302107

8. 柔性最高效率！21.3%效率的全钙钛矿串联太阳能电池丨2019-05-16

多结全钙钛矿太阳能电池通过将多结结构中低热损耗的优势与钙钛矿的有益特性相结合，即低加工成本，高产量制造和兼容性。然而，实现高效串联有两个主要挑战：（1）设计复合层以有效地组合两个钙钛矿子电池，同时还防止顶部电池处理期间底部电池损坏和（2）实现高开路电压宽间隙子电池。美国国家可再生能源实验室Axel F.Palmstrom等人克服了这两个挑战。首先，展示了由具有亲核羟基和胺官能团的超薄聚合物组成的成核层，用于通过原子层沉积（ALD）使共形的低导电性铝氧化锌层成核。该方法使得ALD生长的复合层能够减少在现有钙钛矿活性层顶部的溶液加工中的分流以及溶剂降解。接下来，展示了一种基于不匹配尺寸（二甲基铵和Cs）的A位阳离子的带隙调谐策略，以实现具有高稳定电压的1.7 eV钙钛矿。通过结合这些策略，制造了双端全钙钛矿串联太阳能电池，在刚性基底上的效率为23.1％；在柔性基底上的串联电池效率为21.3％，这是迄今为止报道的柔性薄膜太阳能电池的最高效率。

Palmstrom,A. F. et al. Christensen, S. T.; McGehee, M. D.; van Hest, M. F. A. M.; Luther,J. M.; Berry, J. J.; Moore, D. T., Enabling Flexible All-Perovskite Tandem Solar Cells. Joule 2019.

DOI: j.joule.2019.05.009.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119302521

9. 通过高通量合成和机器学习诊断加速钙钛矿材料的开发丨2019-06-05

加快新材料开发的实验周期对于解决目前的巨大能源挑战至关重要。麻省理工学院（MIT）Shijing Sun 和Tonio Buonassisi团队在2个月内制造并表征了75种独特的钙钛矿型组合物，其中87％的带隙介于1.2和2.4 eV之间，这对于能量收集应用至关重要。利用完全连接的深度神经网络将实测的化合物分类为0D，2D和3D结构，比人工分析快10倍以上，准确率高达90％。并采用卤化铅卤化物验证了该方法的可靠性，并将其应用扩展到无铅组合物。更宽的合成窗口和更快的学习周期使得能够实现多点无铅合金系列Cs₃(Bi_1-xSb_x）₂(I_1-xBr_x）₉。该研究揭示了非线性带-间隙行为和在Cs₃Bi₂I₉与Sb和Br的X位点同时合金化时的维数转变。

Accelerated Development ofPerovskite-Inspired Materials via High-Throughput Synthesis andMachine-Learning Diagnosis, Joule, 2019

DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.014.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30257-0?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2542435119302570%3Fshowall%3Dtrue#

10. 无锗外延生长GaAs，制备14.44％效率的太阳能电池丨2019-06-05

III-V材料的太阳能电池具有出色的效率和功率密度。然而，III-V电池的使用受到高生产成本的阻碍，这部分源于用于III-V材料生长的昂贵基底。韩国科学技术院Jihun Oh和美国国家可再生能源实验室David L. Young提出了一种无锗（GON）技术，即超薄外延式单晶Ge膜，即在氢气退火过程中采用阵列多孔Ge的形态演化。与以前的多孔Ge研究相比，该工艺明显地改善了Ge的重整表面，因此可以实现GaAs的低缺陷密度异质外延。基于GON的GaAs太阳能电池获得了14.44％效率，其开路电压几乎与在体相Ge上生长的对照电池相同。

Germanium-on-Nothingfor Epitaxial Liftoff of GaAs Solar Cells. Joule, 2019

DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.013.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30256-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2542435119302569%3Fshowall%3Dtrue

11. Joule：多阳离子协同抑制混合卤化物-钙钛矿相分离丨2019-06-07

 在之前的研究中 ，科研工作者们已经证实添加Cs⁺和Rb⁺对于混合卤化铅-钙钛矿太阳能电池十分有益，但是有关其性能改善的根源尚不明确。这种机理方面的缺失严重制约了钙钛矿太阳能电池性能的进一步改善。在本文中，阿卜杜拉国王科技大学的Wolf与Amassian团队通过原位追踪前驱体的凝固过程并将不同晶相的产生与Cs⁺或Rb⁺相关联从而解决了该问题。在这两种阳离子不存在的情况下，钙钛矿薄膜具有本征不稳定性，因而会自发相分离为富含MA-I-和FA-Br-的两种相。他们通过研究发现，Cs⁺和Rb⁺的加入会改变钙钛矿薄膜的结晶过程，这种添加能够显著抑制相分离并使得目标α相自发生成。这种多阳离子协同效应是通过阳离子添加对钙钛矿成膜动力学的改变实现的。

Hoang X.Dang et al. Multi-cation Synergy Suppresses Phase Segregation in Mixed-Halide Perovskites, Joule, 2019

DOI:10.1016/j.joule.2019.05.016

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30259-4?rss=yes#

12. Joule：电极材料对高效钙钛矿太阳能电池工艺环境稳定性的影响丨2019-06-19

对于商品化钙钛矿太阳能电池来说，由于实际生产线难以保持绝对干燥条件，因此抗湿材料的使用至关重要。最近，已经有研究人员通过使用Li掺杂的介孔TiO₂作为电子传导层组建了效率超过22%的钙钛矿太阳能电池。但是，锂元素的吸水特性会导致器件在潮湿空气条件下工作时稳定性下降。韩国化学技术研究所的Jangwon Seo团队通过使用介孔BaSnO₃作为电子传导层在不牺牲功率转化效率的基础上提高了钙钛矿太阳能电池在潮湿空气条件下的工艺稳定性。BaSnO₃介孔电子传导层的使用下钙钛矿太阳能电池的效率仍然高达21.3%，其稳定性效率也高达21.7%。此外，该电子传导层相比Li掺杂的介孔TiO₂电子传导层在潮湿空气下的工艺稳定性更好。研究人员相信该策略能够加速钙钛矿太阳能电池的商品化进程。

Impact of Electrode Materials on Process Environmental Stability of Efficient Perovskite Solar Cells, Joule, 2019

DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.018

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30261-2?rss=yes#

13. 甲基氯化铵诱导钙钛矿型太阳能电池中间相稳定化丨2019-06-23

 实现高性能钙钛矿太阳能电池最有效的方法是引入可以充当掺杂剂、晶化剂或钝化缺陷位点的添加剂。氯基添加剂是文献中最流行的添加剂之一，但其具体作用仍不确定。韩国能源研究所的Dong Suk Kim与韩国蔚山国家科技研究所的Sang Kyu Kwak以及Jin Young Kim团队系统地研究了氯化甲基铵添加剂（MACI）在FAPbI₃基钙钛矿太阳能电池中的作用。他们借助密度泛函理论为MACI与钙钛矿之间的相互作用提供了一个理论框架。这种相互作用使得MACI将反应中间相在无须退火的条件下诱导转化为纯的FAPbI₃的α相。这种相转化的形成能与添加的MACI的量相关，因此可以通过调控添加剂的量提高钙钛矿薄膜的质量。这种质量的改善体现在6倍的晶格尺寸增加、3倍相结晶度的增加以及4.3倍光致发光寿命的增加。因此，优化后的钙钛矿太阳能电池的效率可达23.48%。

Methylammonium Chloride Induces Intermediate Phase Stabilization for Efficient PerovskiteSolar Cells, Joule 2019

DOI: 10.1016/j.joule.2019.06.014

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30305-8?rss=yes#

14. 半透明的一大步，25 cm²！效率超过10%的柔性钙钛矿电池丨2019-07-03

轻巧且机械灵活的光伏器件可实现卷对卷处理，从而提高其低成本大规模生产的潜力。然而，相对于在刚性基底上制备的太阳能电池，缺乏高导电性和透明的柔性电极仍导致效率降低。中科院化学所的宋延林，南昌大学的陈义旺和西安交通大学的Wei Ma团队开发了一种电极来提高钙钛矿太阳能电池的性能，即通过使用含氟表面活性剂掺杂剂调节导电聚合物网络的相分离。该网络电极具有高导电率（> 4,000 S/cm）、改善的透射率（从400到900 nm的80％以上）和高机械耐久性。基于该电极的PSC在0.1 cm²和25 cm²的面积下，分别实现19.0％和10.9％的效率，这与刚性基底的效率相当。该电极进一步显示出作为半透明PSC中的顶部电极的前景，其在30.6％的平均可见光透射率下显示出12.5％的稳定效率。病都表现出较强的机械稳定性。在曲率半径为3 mm的5,000次弯曲循环之后，25 cm²的器件保持80％，0.1cm²的器件保持85％，半透明器件仍保持90％的初始效率。

AMechanically Robust Conducting Polymer Network Electrode for Efficient FlexiblePerovskite Solar Cells.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119302995

钙钛矿的崛起，与石墨烯当初颇为相似。能不能拿诺奖又如何，最重要的还是能真正推动人类社会的进步。