Nature Photonics：高效發光二極管中鈣鈦礦納米晶體缺陷的鈣鈦綜合抑制

金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶體(PNCs)的電致發光效率受到限制，因為缺乏既能抑制缺陷形成又能增強載流子約束的鈣鈦材料策略。在這里，鈣鈦韓國國立首爾大學Tae-Woo Lee聯合賓夕法尼亞大學Andrew M. Rappe等人報告了一種單摻雜的鈣鈦合金化策略，它可以產生更小的鈣鈦、單分散的鈣鈦膠體粒子(限制電子和空穴，并促進輻射復合)，鈣鈦同時減少表面缺陷(減少非輻射復合)。鈣鈦胍摻雜甲醛脒溴化鉛PNCs產生有限的鈣鈦體積溶解度，同時在PNCs中產生一個熵穩定相，鈣鈦導致更小的鈣鈦PNC和更多的載流子約束。額外的鈣鈦胍分離到表面并穩定了不協調位點。此外，鈣鈦還應用了一種表面穩定的鈣鈦1,3,5-三(溴乙基)-2,4,6-三乙苯作為溴化空位愈合劑。結果表明，鈣鈦在半球形透鏡下，電流效率為108 cd A^?1(外量子效率為23.4%)的高效PNC基發光二極管，其電流效率為205 cd A^?1(外量子效率為45.5%)。相關研究以“Comprehensive defect suppression in perovskite nanocrystals for high-efficiency light-emitting diodes”為題目，發表在Nature?Photonics上。DOI:?10.1038/s41566-020-00732-4

圖1?GA對FA_1-xGA_xPbBr₃?PNCs的結構和光物理效應

Nature Commun.：芳香族非極性有機凝膠高效和穩定的鈣鈦礦綠色發射器

現有的凝膠大多是極性的，其本質限制了它們在軟設備中的作用。非極性聚合物-液體體系的分子間相互作用通常很弱，這使得凝膠易碎。在這里，韓國國立首爾大學Tae-Woo Lee、Jeong-Yun Sun等人報道了高柔軟和透明的非極性有機凝膠。盡管它們的元素只有碳和氫，但它們的彈性模量、透明度和延展性與普通的軟水凝膠相當。一個關鍵的策略是在聚合物-溶劑體系中引入芳香族相互作用，從而獲得高溶脹率，從而實現聚合物網絡的高效塑化。作為適用性的證明，研究合成了軟鈣鈦礦納米復合材料，其中非極性環境的有機凝膠可以穩定形成和保存高濃度鈣鈦礦納米晶體，經水暴露后，具有較高的光致發光效率(~99.8%)，且對空氣、水、酸、堿、熱、光和機械變形均具有穩定的環境穩定性。他們卓越的性能使軟電致發光器件能夠在各種變形下穩定地發出明亮和純凈的綠光。相關研究以“Aromatic nonpolar organogels for efficient and?stable perovskite green emitters”為題目，發表在Nature Commun.上。DOI:?10.1038/s41467-020-18383-y

圖2 機械柔軟，高效發光，環境穩定的鈣鈦礦納米復合材料

Joule：克服鈣鈦礦-鎳氧化物界面氧化還原反應用來提高鈣鈦礦太陽能電池中電壓

氧化鎳(NiO_x)空穴傳輸層(HTLs)是鈣鈦礦光伏的理想接觸點，因為它們成本低，穩定，易于擴展；然而，與有機高溫高壓相比，它們提供更低的開路電壓(VOCs)。在這里，科羅拉多大學波德分校Michael D. McGehee、亞利桑那大學Neal R. Armstrong等人表征和減緩了電子轉移-質子轉移反應之間的NiO_x HTLs和鈣鈦礦前體。通過XPS和UPS表征，發現NiO_x薄膜中的Ni^≥3+金屬陽離子位同時作為Br?nsted質子受體和Lewis電子受體。去質子化陽離子胺和氧化碘化物，在鈣鈦礦-NiO_x界面形成富含PbI_2-xBr_x的空穴萃取屏障。在鈣鈦礦活性層沉積過程中，用過量的A位陽離子鹽滴定反應性Ni^≥3+表面態，可使V_OC值增加到1.15 V，功率轉換效率提高20%。這可能是金屬氧化物接觸的普遍發現，作為Br?nsted和Lewis酸堿反應物對鈣鈦礦前體，這也是最近的一項觀察TiO₂和SnO₂接觸。相關研究以“Overcoming Redox Reactions at Perovskite-Nickel?Oxide Interfaces to Boost Voltages?in Perovskite Solar Cells”為題目，發表在Joule上。DOI: 10.1016/j.joule.2020.06.004

圖3?NiO_x上鈣鈦礦活性層電壓虧損及PbI_2-xBr_x的形成

AEnM：反向偏壓下鈣鈦礦太陽能電池性能損失的解釋

太陽能組件的部分遮陽可以誘導組件內的一組電池在反向偏置下工作。研究表明，具有多種成分和接觸的金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池表現出有趣的反向偏倚行為，包括可逆性能損失和不可逆退化。科羅拉多大學波德分校Michael D. McGehee等人采用一種先進的漂移擴散方法，結合一個電化學術語來解釋長時間反向偏置后實驗測量的短路、開路和填充因子損失。研究表明，孔洞可以通過接觸附近的尖銳帶彎曲進入鈣鈦礦，在鈣鈦礦吸收體中積累，并觸發鹵化物氧化形成中性鹵素。中性鹵素的密度在反向偏壓下要高得多，因為幾乎沒有任何電子可用來還原碘。由此產生的鹵素充當體復合中心。當電池在正向偏置操作時，間隙鹵素密度確實會衰減，但如果碘擴散出鈣鈦礦層，則會發生永久性的降解。最后討論了移動離子密度或接觸點串聯電阻等參數的變化對器件性能和穩定性的影響。相關研究以“Incorporating Electrochemical Halide Oxidation into?Drift-Diffusion Models to Explain Performance Losses in?Perovskite Solar Cells under Prolonged Reverse Bias”為題目，發表在AEnM上。DOI: 10.1002/aenm.202002614

圖4?陰影區域電流-電壓參數的顯著變化

AEnM：δ-CsPbI₃/δ-RbPbI₃種子輔助異相成核用于高性能多陽離子鹵化物的鈣鈦礦光伏

鈣鈦礦太陽能電池的性能與制備方法密切相關；因此，控制鈣鈦礦晶體的生長機制是提高鈣鈦礦晶體效率和穩定性的有效途徑。在此，洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel等人通過兩步順序沉積方法設計了鈣鈦礦太陽能電池的多鹵化物組合物。值得注意的是，在PbI₂前驅體溶液中加入一維多晶δ-RbPbI₃和δ-CsPbI₃的混合物，可誘導形成多孔介孔六方膜。這種孔隙率極大地促進了FA(甲酰胺)/MA(甲基銨)陽離子在PbI₂膜中的異相成核和滲透。因此，隨后的PbI₂轉換為所需的多組立方α-結構暴露于甲酰胺甲基鹵化銨溶液中大大增強。在轉化過程中，δ-CsPbI₃也完全集成到三維混合陽離子鈣鈦礦晶格中，表現出高結晶度和優越的光電性能。冠軍設備顯示了超過22%的功率轉換效率(PCE)。此外，這些器件表現出更強的運行穩定性，在1個太陽光照下，最大功率點跟蹤400 h，最佳器件能保持PCE初始值的90%以上。相關研究以“Formation of High-Performance Multi-Cation Halide?Perovskites Photovoltaics by δ-CsPbI3/δ-RbPbI3 Seed-Assisted?Heterogeneous Nucleation”為題目，發表在AEnM上。DOI: 10.1002/aenm.202003785

圖5?不同的鈣鈦礦薄膜a)吸收光譜，b)穩態光致發光(PL)， c)時間分辨光致發光(TRPL)

AFM：定向工程小分子半導體作為高效穩定鈣鈦礦太陽能電池的無摻雜空穴傳輸材料

結晶p型小分子半導體由于具有較高的空穴遷移率、良好的穩定性和可調的最高分子軌道，在鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)中作為高效穩定的空穴傳輸材料(HTMs)具有很大的潛力。在這里，香港大學Paddy Kwok Leung Chan、Shien-Ping Feng聯合洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel等人將一個基于硫烯的有機半導體，DPh-DNTT，被熱蒸發并被用作無摻雜的HTM，可以被放大用于大面積的制造。通過控制沉積溫度，將分子取向調整為垂直于襯底表面的π -π堆積方向，使平面外載流子遷移率最大化。通過設計的面向取向，DPh-DNTT薄膜的面外遷移率提高了3.3 × 10^?2?cm²?V^?1?s^?1，優于迄今為止報道的HTMs。這種取向增強的遷移率使CH₃NH₃PbI₃倒置效率達到了20.2%。本文報告的結果為無摻雜有機分子的定向工程提供了見解。相關研究以“Orientation-Engineered Small-Molecule Semiconductors?as Dopant-Free Hole Transporting Materials for Efficient?and Stable Perovskite Solar Cells”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202011270

圖6?a) DNTT、C10-DNTT、DPh-DNTT的分子結構。b)基于p型半導體的OFET器件原理結構。c)具有電子/空穴傳輸層(ETL/HTL)的平面倒置PSC器件示意圖結構。d-f)有機半導體的面對、角對和鏈對方向示意圖。

AM：第四系鈣鈦礦中的溶劑輔助動力學捕獲

通過合金化工程鹵化鈣鈦礦可以合成具有調諧電子和光學特性的材料;然而，由于晶體結構的熱力學不穩定而產生的分離相阻礙了這些合金的合成。人們已經開發了制造這種合金的方法，如固相反應、化學氣相沉積和機械磨削;但這些材料與低溫溶液處理和單片集成不相容，妨礙了這些材料的一些重要應用。在此，加拿大多倫多大學Edward H. Sargent等人開發了一種能夠合成新型熱力學不利鈣鈦礦合金的方法----溶劑相動力學捕獲(SPKT)。利用SPKT合成了Cs_1?xRb_xPbCl₃，并首次報道了多晶鈣鈦礦薄膜的紫外光發射。與相同前驅體的非動力學捕獲材料相比，SPKT導致材料表現出優越的熱穩定性和光穩定性。動態捕獲材料的瞬態吸收光譜顯示了改進的光學特性：更大的吸收，更長的基態漂白壽命。SPKT可應用于其他鈣鈦礦，以改善材料性能，同時受益于易于溶液處理。相關研究以“Solvent-Assisted Kinetic Trapping in Quaternary Perovskites”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202008690

圖7?A)溶劑相動力學俘獲法原理圖。B) Cs_1?xRb_xPbCl₃等價物在升高溫度時旋轉涂覆的Tauc圖吸收光譜。C) CRPC的粉末x射線衍射圖(橙色)以及相應的CsPbCl₃峰(綠色)。

Nature?Energy：高效雙面單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的帶隙工程

雙面單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池利用反射光——來自環境的漫反射光——提高其性能高于單面鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池。在這里，加拿大多倫多大學Edward H. Sargent?等人報道了雙面串聯，在單面AM1.5G 1太陽光照下，經認證的功率轉換效率>25%，在室外測試中發電密度高達~26 mW cm^-2。研究了鈣鈦礦帶隙在各種現實照明和反照率條件下獲得最佳電流匹配所需的。然后，比較了這些雙面串聯暴露在不同反照率下的特性，并提供了兩個地點不同環境條件下的能源產量計算。最后，給出了單面和雙面鈣鈦礦/硅串聯的室外測試場的比較，以證明串聯雙面對于具有實際相關性的位置的附加價值。相關研究以“Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon?tandem solar cells via bandgap engineering”為題目，發表在Nature?Energy上。DOI: 10.1038/s41560-020-00756-8

圖8?鈣鈦礦/硅串聯工作組

Science:基于α相甲酰亞胺碘化鉛的高效穩定太陽能電池

離子摻雜是穩定α-FAPbI₃鈣鈦礦的重要方法，在引入其他離子后，通常會對帶隙、載流子動力學、穩定性以及晶格微應力產生非常大的影響，甚至導致缺陷位點的產生。韓國蔚山國立科技學院Sang Il Seok等人通過在A位引入Cs⁺和MDA⁺離子，發現在摻雜一定量的情況下，晶格應力減小，載流子壽命延長，烏爾巴赫能和缺陷密度降低。最終獲得了認證效率達到24.4%的FAPbI₃基鈣鈦礦太陽能電池，未封裝的電池器件在85℃的熱穩定測試過程中（避光），在1300h之后仍能保持初始效率的80%以上。相關研究“Impact of strain relaxation on performance of?α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.abc4417

圖9 沉積鈣鈦礦薄膜的缺陷分析

ACS Appl. Mater. Interfaces：化學穩定的銦錫氧化物/石墨烯陽極高效鈣鈦礦發光二極管

石墨烯具有優異的抗滲性和化學魯棒性，是一種理想的離子擴散屏障材料。銦錫氧化物(ITO)常用于鈣鈦礦發光二極管(PeLEDs)中，其暴露于酸性空穴注入層時容易釋放出銦，從而使發光明顯猝滅。在這里，韓國國立首爾大學Tae-Woo Lee等人利用石墨烯優異的滲透性，并將其作為化學屏障來阻止ITO暴露在PeLEDs的酸性空穴注入層中可能發生的蝕刻。這一阻擋層降低了這些金屬物種所引起的發光猝滅，因此在ITO和石墨烯層的器件中鈣鈦礦薄膜的光致發光壽命(87.9 ns)明顯高于只有ITO陽極的器件(22.1 ns)。有石墨烯屏障的PeLEDs的光電流效率(16.4 cd/A)也高于沒有石墨烯屏障的PeLEDs (9.02 cd/A)。研究表明，在光電器件中，石墨烯可以作為一種屏障，通過化學蝕刻來減少透明電極的降解。相關研究以“Chemically Robust Indium Tin Oxide/Graphene Anode for Efficient?Perovskite Light-Emitting Diodes”為題目，發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。DOI:?10.1021/acsami.0c12939

圖10 原始透明導電氧化物及帶有石墨烯的透明導電材料的穩定性

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