这也能发Science？一个EDTA分子，破局世界难题！

纳米人

2022-01-05

研究亮点：

1. 发现了甲脒钙钛矿稳定的一个关键误区

2. 发展了更加稳定的钙钛矿材料

甲脒 (FA) 钙钛矿具有更高的热稳定性，从而逐步取代钙钛矿太阳能电池早期使用的甲胺(MA)基吸收层。然而，FAPbI₃的制备和稳定都极具挑战性，因为由碘化铅八面体组成的光敏立方相 (α-FAPbI₃) 仅在高于 150°C 的温度下才稳定，在 150°C 的温度下它会通过重新定向的 FA 阳离子进行熵稳定。

在钙钛矿光伏领域，如何稳定光活性甲脒 (FA) 基卤化物钙钛矿，主要聚焦于立方甲脒碘化铅 (α-FAPbI₃)相的生长上，通常的策略不外乎：与铯、甲基铵 (MA) 阳离子或两者合金化，从而稳定形成活性立方相，而不是非活性的六方相。

有鉴于此，剑桥大学Tiarnan A. S. Doherty和Samuel D. Stranks等人通过纳米结构局域表征技术发现，这种稳定的富含 FA 的钙钛矿并不是立方相，而是在室温下表现出约 2° 倾斜的八面体结构。这种倾斜结构会阻碍材料从光敏相到六边形相的转变，从而赋予相稳定性。

图1. 结构表征

图2. 倾斜的八面体稳定光活性钙钛矿避免降解

尽管在宏观上观察时体相看起来很稳定，但不均匀的阳离子分布依然会导致微观不稳定区域的形成。这些转变到六边形多型体的行为，导致局部陷阱辅助性能损失和光不稳定性。

为了解决这一问题，研究人员基于表面结合的乙二胺四乙酸（EDTA），设计了一种八面体倾斜结构，实现了没有任何阳离子合金化的纯α-FAPbI₃薄膜，对热、环境和光都极其稳定。

图3. EDTA表面修饰构建八面体倾斜结构稳定的FAPBI₃钙钛矿

图4. 八面体倾斜结构稳定的FAPBI₃钙钛矿对空气、热、光都具有较高稳定性。

这种新策略，既可以与阳离子合金化方法结合使用，也可以独立用于均匀化纳米级相稳定性并消除残留陷阱，这对于实现单结和串联钙钛矿光伏电池在其整个商业生命周期中接近其性能极限运行至关重要。尤其是对于用于单结商业化的最有希望的组合物，例如 α-FAPbI₃，其中阳离子添加剂会产生向更高带隙的转变并损害热稳定性。这项研究就为我们提出了解决方案：在不使用额外的 A 位阳离子的情况下，通过未掺入钙钛矿结构的添加剂（如 EDTA）对八面体倾斜的生长进行模板化。

参考文献：

TiarnanA. S. Doherty, et al. Stabilized tilted-octahedra halide perovskites inhibitlocal formation of performance-limiting phases, Science, 2021.

DOI:10.1126/science.abl4890

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4890