他们俩，又发Science了！

纳米人

2021-11-28

面向碳中和，太阳能的高效清洁利用是一道不得不做的题目。

钙钛矿，为这道题目提供了丰富多彩的答案。

时至今日，钙钛矿太阳能电池最高认证效率已经达到25.5%。所在之处，攻城略地，狼烟四起。作为一种新兴的高效，低成本的光伏技术，钙钛矿电池的效率是很不错了，溶液制程的优势也显而易见。然而，和所有新技术一样，钙钛矿太阳能电池在走向商业化的过程中注定要经历坎坷，面临着诸多障碍。

为了解决钙钛矿电池的关键问题，全球科学家和工程师付出了许多努力。美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)的朱凯和托莱多大学鄢炎发，是国际上专注钙钛矿电池研究领域的两位代表性人物。

基于全钙钛矿的多晶薄膜串联太阳能电池具有提供> 30％效率的潜力。然而，考虑到全钙钛矿的串联器件的性能收到缺乏高效率，低带隙Sn-Pb混合钙钛矿太阳能电池（PSC）的限制。2019年5月，NREL朱凯、Joseph J. Berry和托莱多大学鄢炎发等人合作，打破了Sn-Pb混合钙钛矿电池效率世界纪录！

研究人员采用硫氰酸胍（GuaSCN）显著改善了低带隙（~1.25 eV）Sn-Pb混合钙钛矿薄膜质量，大大降低缺陷态密度和改善光电性能。组装的单结低带隙（~1.25eV）Sn-Pb混合钙钛矿电池，效率超过20%，这是当时Sn-Pb混合钙钛矿电池的最高效率。当与更宽的带隙PSC叠层时，可以获得25％效率的四结和23.1％的两四结全钙钛矿叠层太阳能电池。

Tong, J. et al. Carrier lifetimes of>1 μs in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solarcells. Science, 2019, 364, 475-479.

http://science.sciencemag.org/content/early/2019/04/17/science.aav7911

2021年11月26日，NREL朱凯和托莱多大学鄢炎发再度合作，基于亚稳态Dion-Jacobson 2D结构实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。

通过具有有效电荷传输的2D层状钙钛矿进行表面处理，可以有效增强三维有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池的性能。研究人员使跨亚稳态 Dion-Jacobson(DJ) 2D 钙钛矿层的空穴传输得到最大化，调整了大体积的不对称有机分子在3D钙钛矿薄膜表面的取向排列。

研究发现，空穴传输的能量势垒降低后，面外传输速率提高了4到5倍，n=1 2D DMePDAPbI₄的PSC 的功率转换效率 (PCE) 为4.9%。

通过使用亚稳态DJ 2D表面层，三种常见的3D PSC （FAMACs、FAMA、MA基钙钛矿薄膜）的 PCE 提高了约12-16%，效率分别达到24%，24.7%和20.9%，器件的稳定性也得了大幅度提升。

Fei Zhang et al. Metastable Dion-Jacobson2D structure enables efficient and stable perovskite solar cells, Science,2021.

DOI: 10.1126/science.abj2637.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2637

值得一提的是，NREL朱凯课题组和托莱多大学鄢炎发课题组，长期专注于钙钛矿光电领域的研究。

高效稳定串联钙钛矿太阳能电池

2020年4月，韩国科学技术高等研究院Byungha Shin、首尔大学Jin Young Kim、美国国家可再生能源实验室（NREL）朱凯、Dong Hoe Kim等人合作，实现了一种高效稳定的串联型钙钛矿型太阳能电池。研究人员利用苯乙铵（PEA）作为二维添加剂，加上碘和硫氰酸盐的作用，通过阴离子工程调控可以有效稳定富含溴的钙钛矿薄膜，实现了1.7eV的宽带隙。最高PCE达到了20.7％，连续使用1000小时后仍保持了80％的功率转换效率。基于这种宽带隙钙钛矿与硅串联的两结太阳能电池，实现了26.7%的效率。

Daehan Kim et al. Efficient, stablesilicon tandem cells enabled by anion-engineered wide-bandgap perovskites.Science 2020, 368, 155-160.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba3433

破解铅泄露问题

钙钛矿太阳能电池研究领域，铅废料和从器件中泄漏出铅的毒性问题仍未得到实质性的解决。铅的含量到底有多少？是否会发生泄漏？泄漏之后怎么办？这些都是钙钛矿电池走向实用化必须了解的问题。据报道，商用涂料中铅含量一般为0.007 g m^-2，而典型铅基钙钛矿太阳能电池中，铅厚度约550 nm，Pb的单位面积浓度约为0.75g m^-2，比目前含铅涂料浓度要高两个数量级。在建筑集成光伏电池中使用钙钛矿太阳能电池时，铅泄漏的潜在危险可被视为对环境和公共健康的危害。

2021年，北伊利诺伊大学徐涛和NREL的朱凯等人提出一种化学方法，可确保万一铅基钙钛矿电池器件严重损坏后，超过96％的铅泄漏得到隔离。研究人员将一种可以吸收铅的材料DMDP有机涂层涂敷到器件的正面和背面，由于DMDP可溶于某些极性有机溶剂（例如乙醇）中，从而可以通过常见的溶液涂覆方法进行成膜。在正面透明导电电极的玻璃侧，使用了透明的吸收铅的分子膜，该分子膜包含与铅牢固结合的膦酸基团，进而吸收泄漏的铅。在背面（金属）电极侧，在金属电极和标准光伏包装膜之间放置掺有铅螯合剂的聚合物膜。两侧的吸铅薄膜在浸水时会溶胀以吸收铅，而不是溶解，从而保持结构完整性，以便在器件损坏后容易收集铅。

Fei Zhang, et al. MetastableDion-Jacobson 2D structure enables efficient and stable perovskite solar cells,Science, 2021.

DOI: 10.1126/science.abj2637.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2637

白光钙钛矿发光效率突破

2018年，华中科技大学唐江课题组和美国托莱多大学鄢炎发课题组合作，通过Na掺杂，发展了一种稳定发白光的无铅合金化双钙钛矿Cs₂(Ag_0.60Na_0.40)InCl₆。合金化双钙钛矿量子效率86±5%，稳定工作1000 h以上，光致发光效率比单纯的Cs₂AgInCl₆高3个数量级。研究人员认为，这种优异的发光性能来源于处于激发态的AgCl₆八面体的Jahn–Teller扭曲。

Jiajun Luo et al.Efficient and stableemission ofwarm-whitelight from lead-free halide double perovskites. Nature2018, 563, 541–545.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0691-0

发现钙钛矿中分子的“双重人格”

钙钛矿材料的晶体结构由有机阳离子穿插的无机框架构成。UCLA杨阳团队等人发现其中的有机阳离子具有“双重人格”，它除了起到保持晶格完整性的作用之外，研究表明它也可以对钙钛矿的带边结构产生影响。该发现将会对未来新型钙钛矿材料的设计提供崭新的思路。

2021年，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的杨阳教授团队联合美国可再生能源国家实验室(NREL) Matthew C.Beard团队和美国托莱多大学(Toledo)鄢炎发团队，通过设计一系列具有大π共轭体系的有机铵盐，发现当合理调控芘基共轭铵盐与B-X框架的作用距离，其能对钙钛矿的表面前沿轨道产生影响。该种芘基铵盐可以改变钙钛矿的表面价带边结构并影响钙钛矿的载流子动力学。其中，引入芘乙胺的钙钛矿具有更高的空穴迁移率，能量转换效率以及稳定性。该发现为调控钙钛矿的电子结构提供了一个新的自由度。

JingjingXue et al. Reconfiguring theband-edge states of photovoltaic perovskites byconjugated organic cations.Science 2021, 371, 636-640.

https://science.sciencemag.org/content/371/6529/636

钙钛矿

未来可期