Nat. Mater.綜述：鹵化物鈣鈦礦光電材料中的應變分析與工程

【研究背景】

鹵化物鈣鈦礦作為一種有前途的下一代光伏技術已成為人們關注的焦點，其功率轉換效率（PCE）已經與晶體硅器件相當。吸收器和接觸層界面處不必要能量損失的減少顯著改進了其效率和穩定性。最近，應變調控已成為提高鹵化物鈣鈦礦器件效率的前沿，其方法是最小化不良缺陷的形成和隨后的非輻射復合。最近報道，通過應變調控，基于FAPbI₃設備的認證PCE約為24.4%，封裝設備在400分鐘后保持90%的效率。這些成就表明，應變工程是一個強大的工具，可以大大提高效率和穩定性。盡管取得了這些成功，但仍然存在一個明顯的矛盾，即類似應變的鹵化物鈣鈦礦即使是名義上相似的材料，也會表現出有益或有害的影響。此外，與其他光伏系統相比，鹵化物鈣鈦礦中的應變幅度相對較高。鈣鈦礦材料中的高應變特別引人關注，因為鈣鈦礦是所有光伏材料中機械性能最脆弱的材料之一。因此了解不同長度尺度上應變的基本原理，并設計有效的方法來表征是未來發展的方向。

【成果簡介】

英國薩里大學張偉教授和劍橋大學Samuel D. Stranks教授共同概述了與光伏應用相關的鹵化物鈣鈦礦中應變的基本原理，并對表征該現象的方法進行了合理化。作者研究了最近在消除應變的不利影響、提高設備效率和操作穩定性方面取得的突破。最后還討論了該領域進一步的挑戰，并概述了將應力和應變研究置于鹵化物鈣鈦礦研究前沿的未來研究方向。需要廣泛了解鹵化物鈣鈦礦中的應變，這將允許有效的應變調控，并推動鈣鈦礦光電轉換效率和穩定性的進一步提高。該文章近日以題為“Strain analysis and engineering in halide perovskite photovoltaics”發表在知名頂刊Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖一、鹵化物鈣鈦礦應變的定義和測量

上行分別給出了無應變（a）、壓縮/拉伸應變（b）、微應變（c）和原子矢量位移（d）的示意圖。底行表示衍射圖案中每種應變的特征。

圖二、鹵化物鈣鈦礦中應變的起源

鹵化物鈣鈦礦中壓縮/拉伸應變（a）、微應變（b）和更復雜應變（c）起源的示意圖。

圖三、應變對鹵化物鈣鈦礦的影響

（a）MAPbI₃薄膜不同應變區的時間分辨PL衰減，其中壓縮應變區的PL壽命比拉伸應變區的PL壽命短。

（b）不同應變下3個(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15薄膜的時間分辨PL衰減。

（c）FA_1-xCs_xPbI₃和FA_1-xCs_xSnI₃的帶隙隨Cs含量的變化。

（d）計算了應變相關的離子遷移活化能和CsPbI₂Br中鹵化物空位形成能，其中x軸上的負值和正值分別代表壓縮應變和拉伸應變。

（e）XRD譜圖相關系數隨應變衰減到初始值T₉₀（90%）的時間。

（f）計算溝道裂紋和邊緣分層的應變能釋放率G。

圖四、鹵化物鈣鈦礦光電材料中的應變工程

（a）退火相關改性。上圖：如何防止退火相關的應變產生的圖表。下圖：100℃時，在硅和聚碳酸酯上形成的MAPbI₃的測量應力。

（b）組合剪裁。上圖：多種離子結合的圖示。下圖：在由摻氟氧化錫涂層玻璃/介孔TiO₂/(FAPbI₃)_1-x(MC)_x（上圖）和陷阱密度NT、TSC（下圖）組成的樣品中計算的微應變。

（c）界面管理。上圖：鈣鈦礦界面管理示意圖。下圖：n-辛基氨改性（OA-10）和控制鈣鈦礦薄膜的2θ與sin²ψ的線性擬合。

（d）外延生長。上圖：外延生長的圖示。下圖：顯示MAPbI₃襯底上外延單晶MAPbI₃界面區域的高分辨率透射電子顯微鏡圖像。

圖五、在鈣鈦礦設備中釋放應變潛力的工作流程

（a）利用先進的應變工程技術，可以系統地對鹵化物鈣鈦礦進行應變處理。

（b）采用先進的原位和非原位表征技術全面表征鹵化物鈣鈦礦樣品中的應變。

（c）利用應變工程來制備性能更好的設備。

【全文總結】

為了解決鈣鈦礦光伏材料中應變與材料性質之間許多懸而未決的問題，作者提出了一個迭代工作流程，通過高級應變工程調整應變，更充分地利用強大的原位和非原位測量技術以及反饋的知識來改進應變工程方法。最后，結果將是不僅能夠抑制應變的不利影響，而且能夠利用應變獲得高效的鈣鈦礦設備。

為了促進未來的突破，需要對鹵化物鈣鈦礦器件中應變的起源和效應有深入的理解。這在鈣鈦礦/硅和鈣鈦礦/鈣鈦礦串聯結構的構建中尤為關鍵，其中許多層可能各自貢獻應力和應變分量，影響整體效率和穩定性。隨著鹵化物鈣鈦礦結構繼續推動長期運行穩定性的發展，應變將成為優化的關鍵參數，也是更奇特設備控制的通用杠桿。

文獻鏈接：Strain analysis and engineering in halide perovskite photovoltaics (Nat. Mater. 2021, 20, 1337–1346)

本文由大兵哥供稿。

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