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今年第五篇！Science刊发北理工钙钛矿太阳能电池研究新成果！

大学作者：北京理工大学 2022-11-18 11:24:28

11月18日

北京理工大学陈棋教授团队

在Science上发表文章

这是北理工今年以来

在Nature、Science上

发表的第5篇高水平论文

文章题为“Initializing Film Homogeneity to Retard Phase Segregation for Stable Perovskite Solar Cells”，揭示了钙钛矿薄膜材料初始均一性对薄膜及器件的稳定性影响，并在此基础上制备了高效稳定性的钙钛矿太阳能电池。

北京理工大学材料学院陈棋教授是文章的通讯作者，北京理工大学材料学院白阳副教授，北京大学博士生研究生黄子健，北京理工大学2018级硕士研究生章骁、卢九州，2019级博士研究生牛秀秀是文章的共同第一作者。本工作的合作单位包括北京大学、中国科学院自动化研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学院物理研究所、北京航空航天大学、中国科学院半导体研究所，以及北京曜能科技有限公司。

光伏发电新能源技术对于实现碳中和目标有重要意义。近年来，基于有机-无机杂化钙钛矿的光电太阳能电池器件取得了飞速的发展，目前报道的最高光电转化效率已接近26%，而器件稳定性是其产业化成败的关键。

由于其丰富的组分空间，混合组分钙钛矿在材料半导体性能调控，和提升器件效率及稳定性方面优势突出。然而，由于多组分的引入，材料生长过程中会出现多相竞争问题，导致薄膜初始组分分布不均一。论文作者首先研究了混合阳离子钙钛矿薄膜不均一性的发展。研究发现，薄膜在纳米尺度的不均一位点会在外界刺激下快速发展，导致更为严重的组分分布差异化（图1），最终形成热力学稳定的物相分离，并贯穿整个钙钛矿薄膜，造成材料退化和器件失活。

图1 （A-H）钙钛矿薄膜的组分初始分布和在外界刺激下的演变行为。（I-N）热力学驱动下，钙钛矿薄膜的物相分离现象。

尽管已经有相关报道分别针对微纳米尺度的相分离热动力学和原子尺度的元素迁移行为开展了研究，但目前尚缺乏一个统一的模型将离子、原子的个体行为与薄膜的宏观行为放在一个统一的语境下进行系统研究。针对这一问题，论文作者基于经济学和物理学中研究群体行为的谢林模型，发展了可用于模拟钙钛矿中离子迁移聚集行为的数学模型，结合密度泛函理论的预测和实验观察数据，对薄膜相分离行为进行了半定量的分析。如图2所示，模型的模拟结果表明，钙钛矿薄膜初始均一性对薄膜的老化行为有显著影响，薄膜均一性的提升将显著减缓其老化速率。

图2 （A）钙钛矿薄膜相分离的理论计算。（B-F）钙钛矿薄膜老化过程的谢林模型模拟。

以模型预测结果为指导，作者通过在钙钛矿前驱体溶液中引入弱配位的添加剂硒酚，有效调控了溶液胶体环境，提升了薄膜均一性。实验结果表明，均一性提升的薄膜在热、光老化条件下，表现了较好的稳定性，在实验周期内未出现显著的物相分离（图3）。同时，经过进一步的器件优化，所制备的太阳能电池器件展现了良好的光电性能，在1 cm²器件上，获得了23.7%的认证效率。在不同温度条件下，器件在LED光源持续照射下，也表现了良好的工作稳定性。

图3 （A）钙钛矿薄膜相分离的理论计算。（B-F）钙钛矿薄膜老化过程的谢林模型模拟。

此外，关于均一性起始状态的相关结论能够从混合阳离子体系进一步拓展到混合阴离子体系中。论文作者制备了具有不同初始均一性的混合阴离子钙钛矿薄膜，并研究其老化过程，拓展了“提升钙钛矿薄膜组分分布均一性，有助于提高薄膜和器件稳定性”这一结论的普适性（图4）。该论文发展了谢林模型，在原子尺度的离子移动与微纳米级别的相分离之间建立了桥梁，将材料起始均一性与器件稳定性联系在了一起，为提高钙钛矿材料与光伏器件的稳定性提供了新的思路，也为制备高效稳定的钙钛矿光电子器件提供了理论基础。

图4 （A-H）混合阴离子钙钛矿薄膜的老化行为研究。

作者介绍

陈棋

北京理工大学材料学院教授

2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心。2016年入职北京理工大学。2019年，入选北京市自然科学基金杰出青年项目。主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电信息等器件，如太阳能电池等。发表论文100余篇，包括Science、Nat. Commun.、Joule、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等，H-Index 61，总引用超过28000次。

白阳

北京理工大学材料学院副教授

2013年本科毕业于北京航空航天大学应用化学系，2017年博士毕业于香港科技大学化学系，随后以博士后身份在香港科技大学化学系开展研究工作。2018年入职北京理工大学材料学院。主要从事新能源材料和钙钛矿太阳能电池的研究。发表论文60余篇，包括Science、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等，H-Index 36，总引用6000余次，并承担国家自然科学基金面上项目等科研任务。