美國北伊利諾伊大學Tao Xu團隊PNAS Nexus力作

一、?【導讀】 ?

鈣鈦礦太陽能電池已經在功率轉換效率上媲美或超越硅（Si）和銅銦鎵硒（CIGS）電池。同時，獨特的溶液制備特性使鈣鈦礦太陽電池成為了一項低成本，具有顛覆傳統光伏市場能力的新興技術。然而，鈣鈦礦光伏器件，尤其是應用于全鈣鈦礦疊層太陽電池中的窄帶隙錫基鈣鈦礦，因較差的氧化穩定性與器件運作穩定性，嚴重地限制了其在商用化進程中的技術成熟和市場占有率。

二、【成果掠影】

近日，美國北伊利諾伊大學的Tao Xu團隊和國家可再生能源實驗室（NREL）Kai Zhu團隊合作在PNAS Nexus上發表研究論文。通過對有機-無機雜化錫鉛鈣鈦礦中的MA和FA陽離子進行同位素氘代化處理，所制備的無封裝鈣鈦礦薄膜具有在氧等離子降解條件下的化學穩定性。最后，研究人員制備了基于氘代體系的雜化鈣鈦礦太陽電池器件，性能結果顯示，氘化鈣鈦礦器件（D-Cs_0.25FA_0.75Sn_0.5Pb_0.5I₃）具有更強的熱穩定性（85℃）、水氧穩定性（RH=82%）和連續光照穩定性（50℃、RH=50%）。通過對無氘化處理的H-MAPbI₃和氘化處理的D-MAPbI₃的前驅體溶液丁達爾光學現象研究，研究人員厘清了PbI[CD₃ND]復合物的穩定生成，乃是同位素處理提升化學穩定性的根源。而相比之下，H-MAPbI₃前驅體溶液沒有表現出PbI[CH₃NH]膠體的生成（無丁達爾現象）。相關研究文章以“Bioinspired stability enhancement in deuterium-substituted organic–inorganic hybrid perovskite solar cells”為題發表在PNAS Nexus上。

?三、【核心創新點】

通過模仿生物體基團在重水（D₂O）中的活性抑制現象，該工作所利用的鈣鈦礦前驅體組分同位素改性策略，可適配于所有有機-無機雜化鈣鈦礦體系，實現低成本、穩定性增強、工藝重復性高的窄帶隙錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池。該技術可應用于正快速發展的鈣鈦礦疊層太陽能電池技術，在不影響器件光伏性能條件下，實現器件的環境與運作穩定性提升，為可商用化的光伏技術開辟了道路。

?四、【數據概覽】

圖1 非氘代和氘代 (FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4鈣鈦礦薄膜在不同氧等離子體處理時間后的FTIR圖譜 ? 2023 Oxford University Press

圖2 ?基于非氘代和氘代FAI制備的Cs_0.25FA_0.75Sn_0.5Pb_0.5I₃窄帶隙鈣鈦礦太陽電池性能和器件穩定性比較 ?? 2023 Oxford University Press

圖3 ?基于FASn_0.5Pb_0.5I₃?(001)晶面不同表面層之下的二價錫空位（V_Sn^2-）和Sn化學勢能為變量的V_Sn^2-形成自由能 ? 2023 Oxford University Press

五、【成果啟示】

綜上，本工作為提升有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的穩定性提供了有效思路，為鈣鈦礦疊層太陽電池的進一步實用化開辟了途徑。

原文詳情：Bioinspired stability enhancement in deuterium-substituted organic–inorganic hybrid perovskite solar cells, PNAS Nexus, 2023, 2, pgad160.

DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad160

本文由材老牛供稿。