【研究背景】?
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已經(jīng)在功率轉(zhuǎn)換效率上媲美或超越硅（Si）和銅銦鎵硒（CIGS）電池媒楼。同時(shí)，獨(dú)特的溶液制備特性使鈣鈦礦太陽(yáng)電池成為了一項(xiàng)低成本睹簇，具有顛覆傳統(tǒng)光伏市場(chǎng)能力的新興技術(shù)大脉。然而焊夸，鈣鈦礦光伏器件朗若，尤其是應(yīng)用于全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)電池中的窄帶隙錫基鈣鈦礦恼五，因較差的氧化穩(wěn)定性與器件運(yùn)作穩(wěn)定性，嚴(yán)重地限制了其在商用化進(jìn)程中的技術(shù)成熟和市場(chǎng)占有率哭懈。
【工作介紹】
近日灾馒，美國(guó)北伊利諾伊大學(xué)的Tao Xu團(tuán)隊(duì)和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）Kai Zhu團(tuán)隊(duì)合作在PNAS Nexus上發(fā)表研究論文。通過(guò)對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化錫鉛鈣鈦礦中的MA和FA陽(yáng)離子進(jìn)行同位素氘代化處理遣总，所制備的無(wú)封裝鈣鈦礦薄膜具有在氧等離子降解條件下的化學(xué)穩(wěn)定性睬罗。最后，研究人員制備了基于氘代體系的雜化鈣鈦礦太陽(yáng)電池器件旭斥，性能結(jié)果顯示傅物，氘化鈣鈦礦器件（D-Cs0.25FA0.75Sn0.5Pb0.5I3）具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性（85℃）、水氧穩(wěn)定性（RH=82%）和連續(xù)光照穩(wěn)定性（50℃琉预、RH=50%）。通過(guò)對(duì)無(wú)氘化處理的H-MAPbI3和氘化處理的D-MAPbI3的前驅(qū)體溶液丁達(dá)爾光學(xué)現(xiàn)象研究蒿褂，研究人員厘清了PbI[CD3ND]復(fù)合物的穩(wěn)定生成圆米，乃是同位素處理提升化學(xué)穩(wěn)定性的根源。而相比之下啄栓，H-MAPbI3前驅(qū)體溶液沒(méi)有表現(xiàn)出PbI[CH3NH]膠體的生成（無(wú)丁達(dá)爾現(xiàn)象）娄帖。相關(guān)研究文章以“Bioinspired stability enhancement in deuterium-substituted organic–inorganic hybrid perovskite solar cells”為題發(fā)表在PNAS Nexus上。童金輝為本文第一作者昙楚，李迅為共同第一作者近速。
【內(nèi)容表述】
本研究通過(guò)模仿生物體基團(tuán)在重水（D2O）中的活性抑制現(xiàn)象，針對(duì)以H-N--H2O氫鍵為媒介的Sn2+氧化機(jī)制中堪旧，通過(guò)減緩MA+和FA+有機(jī)基團(tuán)的振動(dòng)速率削葱，增強(qiáng)了和晶格中Pb2+和Sn2+的鍵合作用，從而于動(dòng)力學(xué)上加速了BI[CD3ND]（B=Sn2+, Pb2+）復(fù)合物的產(chǎn)生淳梦，避免了二價(jià)金屬元素和氧的優(yōu)先結(jié)合析砸。該強(qiáng)鍵合作用通過(guò)在D-MAPbI3前驅(qū)體溶液中形成PbI[CD3ND]膠體并被丁達(dá)爾效應(yīng)所證實(shí)。
1. 雜化鈣鈦礦薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性提升
未被氘化的(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4鈣鈦礦薄膜于氧等離子體中經(jīng)過(guò)50s已明顯表現(xiàn)出明顯的有機(jī)基團(tuán)分解（圖1a）爆袍，而氘化的(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4鈣鈦礦薄膜即使經(jīng)過(guò)100s等離子體降解氣氛依然沒(méi)有明顯有機(jī)成分的變化首繁。
2. 雜化錫鉛鈣鈦礦太陽(yáng)電池器件性能穩(wěn)定性提升
在太陽(yáng)能電池器件上作郭，基于無(wú)氘代和氘代的電池器件表現(xiàn)出大致相同的初始性能—約20%的光電轉(zhuǎn)換效率。然而弦疮，無(wú)氘代的錫鉛混合鈣鈦礦器件在550個(gè)小時(shí)的連續(xù)光照后夹攒，表現(xiàn)出了29.3%的初始性能損失，而氘代對(duì)應(yīng)器件只表現(xiàn)出11.4%的效率衰減（圖2c）胁塞。在高濕度條件下（RH=80%）咏尝，同位素處理的錫鉛混合組分鈣鈦礦器件可在8小時(shí)的儲(chǔ)存中保持82%的初始效率，而同比之下無(wú)氘代處理的器件只保持了71%的初始器件效率（圖2d）闲先。因此状土，該性能表征證明了同位素處理確實(shí)明顯提升了窄帶隙電池器件的環(huán)境與運(yùn)作穩(wěn)定性。
3. 非氘化和氘化鈣鈦礦晶格中的錫空位形成能對(duì)比
第一性原理密度泛函理論的計(jì)算結(jié)果顯示伺糠，近表面的Pb-Sn無(wú)機(jī)晶格在無(wú)氘代H-FA+的作用下蒙谓，擁有比D-FA+更高的Sn空位形成能。擁有更少缺陷的近表面晶格因而可以遲滯環(huán)境水氧侵蝕下的進(jìn)一步晶格異變训桶。
【結(jié)論】
綜上所述累驮，本工作以生物基團(tuán)于重水環(huán)境中生化活性降低現(xiàn)象為依照，提出了同位素氘代有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化錫鉛鈣鈦礦的調(diào)控策略舵揭，實(shí)現(xiàn)了雜化鈣鈦礦薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性提升谤专。在光伏性能上，太陽(yáng)能電池器件的熱穩(wěn)定性午绳、水氧穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性得到了明顯的提升置侍。該同位素氘代策略適配于所有有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦體系，并可為鈣鈦礦疊層太陽(yáng)電池的進(jìn)一步性能提升和實(shí)用化開(kāi)辟新的途徑拦焚。
Jinhui Tong, Xun Li, Haiying He*, Tao Xu*, and Kai Zhu*. Bioinspired stability enhancement in deuterium-substituted organic–inorganic hybrid perovskite solar cells,PNAS Nexus, 2023, DOI:10.1093/pnasnexus/pgad160
通訊作者介紹
Haiying He蜡坊，美國(guó)Valparaiso大學(xué)物理與天文學(xué)系副教授，研究興趣包括固態(tài)物理和材料科學(xué)中的第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算赎败。
Tao Xu秕衙，美國(guó)Northern Illinois University化學(xué)與生物化學(xué)系教授，主要從事鈣鈦礦太陽(yáng)能電池僵刮、光/電催化据忘、材料物理化學(xué)性質(zhì)和其他能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)機(jī)理研究。在包括Nature搞糕、Nature Sustainability和Advanced Materials等高水平期刊發(fā)表近100篇論文勇吊，持有13項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利，主編3項(xiàng)英文專著寞宫，引用近8000次萧福，多次獲得R&D 100 award等高影響力獎(jiǎng)項(xiàng)。
Kai Zhu辈赋，美國(guó)NREL化學(xué)與納米科學(xué)中心高級(jí)研究員鲫忍，主要從事鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究膏燕，其中包括鈣鈦礦材料開(kāi)發(fā)、器件制備和表征和載流子動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究悟民。在Science坝辫、Nature、Nature Energy射亏、Nature Photonics等高影響力期刊上發(fā)表論文近忙，引用近40000次。
第一作者介紹
童金輝智润，美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后研究員及舍，現(xiàn)為武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員。研究方向包括鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池窟绷、硅基/鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池锯玛、大面積疊層太陽(yáng)能電池模組。以第一作者身份于Science兼蜈、Nature攘残、Nature Energy等高水平期刊發(fā)表論文十余篇。
李迅为狸，美國(guó)Northern Illinois University博士研究生歼郭。研究方向?yàn)殁}鈦礦太陽(yáng)電池材料研發(fā)和封裝技術(shù)開(kāi)發(fā)。以第一作者身份于Nature辐棒、Nature Sustainability等高水平期刊發(fā)表論文病曾。
