近日，復旦復旦大學信息科學與工程學院詹義強、科研礦穩科學鄭立榮和瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）Anders Hagfeldt、團隊Michael Graetzel團隊合作，國際鈣鈦成功通過一種氣相輔助生長方法實現了室溫穩定的合作a-FAPbI3（黑相甲脒鉛碘）鈣鈦礦材料，并且制備出了光電轉換效率大于23%的研究高效穩定太陽能電池。該項突破為鈣鈦礦材料在高效輕質光伏電池、破解新型LED和其它光電器件系統等應用奠定了基礎，定性登上對太陽能清潔能源的難題泛在利用、新型柔性大面積光電器件與系統、成果以及智能機器人自主供電等具有重要意義。主刊10月2日，復旦相關研究成果以《氣氛輔助制備高效高穩定黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦太陽能電池》（“Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells”）為題在線發表于《科學》（Science, https://doi.org/10.1126/science.abb8985）。科研礦穩科學
有機氣相輔助沉積技術分子動力學過程：（左）d相FAPbI3面共享八面體結構（右）a相FAPbI3角共享八面體結構
氣相輔助生長，團隊破解相穩定性難題
金屬鹵化物鈣鈦礦因其卓越的國際鈣鈦光電性能和低溫制備工藝得到了廣泛的關注，并被研制成太陽能光伏電池、發光二極管（LED）、激光器和光電探測器等。在過去的10年內，基于鈣鈦礦的太陽能電池，其功率轉換效率也從起初的3.8%上升到近來的20%以上。
但是，此類材料的最大缺點就是熱穩定性差，嚴重制約了其實際應用。其中甲脒鉛碘鈣鈦礦(FAPbI3)因其良好的熱穩定性和接近理想帶隙等特點而備受矚目，被視為最有潛力走向實用的材料之一。然而研究發現FAPbI3在室溫下會從光活性的黑相（a相）轉變成非光活性的黃相（d相），進而造成材料降解及電池性能衰減。雖然通過摻雜混合等可以得到室溫穩定的a-FAPbI3薄膜，但是在實際工作條件下會帶來相分離以及吸收譜藍移等問題。因此，如何獲得穩定的純a-FAPbI3薄膜成為了鈣鈦礦太陽能電池研究領域的一個國際難題。
合作團隊深入研究FAPbI3的相變機理，創新性地開發了MASCN（硫氰酸甲基銨）氣相輔助生長技術。基于此項技術，能夠在較低退火溫度下（100°C）成功將FAPbI3從d相完全轉化為a相，并保持長期穩定。
合作團隊借助分子動力學模擬，首次厘清了SCN-離子的作用機制：SCN-離子優先吸附于d相FAPbI3表面，由于Pb2+與S之間的強親和力作用，SCN-離子取代了與Pb2+成鍵的I￣離子，將d相FAPbI3面共享八面體結構的頂層瓦解，并過渡到a相FAPbI3的角共享結構。頂層結構的轉變形成模板化效應，自上而下，將d相FAPbI3完全轉化為a相FAPbI3。由于表面SCN-離子跟Pb2+之間的強親和力作用，形成了穩定的表面結構，約束了體a相FAPbI3。在500小時、85°C的加熱老化實驗測試中，該a-FAPbI3薄膜保持零衰減，呈現出卓越的熱穩定性。
低溫制備工藝，促進柔性大面積泛在應用
合作團隊低溫制備的FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的效率超過23%，并在最大功率點追蹤500小時后，依然保持原有性能的90%以上，體現了其超高工作狀態穩定性。
此外，復旦團隊采用全低溫制備工藝近期還成功在PET基材上制備了效率高達20%的柔性太陽能電池，使得未來太陽能泛在利用成為可能，例如可以與建筑物、汽車車身等一體化集成，實現無處不在的太陽能清潔高效利用，與飛艇囊體和智能昆蟲翅膀等柔性集成，實現飛行器和柔性智能機器人等的輕質高效自主供電。
實驗測量表明，除了卓越的光伏性能，該材料也可以在低至0.75V的開啟電壓下實現電致發光，在未來大面積柔性顯示、照明和可穿戴電子等領域也具有應用潛力。
合作團隊經過兩年多的緊密合作和努力，從實驗設計、分子動力學模擬、到無數次實驗試驗和改進、多次補充實驗并驗證，最終取得突破。即使在疫情形勢最為嚴峻的階段也沒有停止工作。論文第一作者盧海洲2016年進入復旦大學信息科學與工程學院電子科學與技術博士后流動站，現為EPFL博士后。復旦大學信息科學與工程學院詹義強、鄭立榮和瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）Anders Hagfeldt、Michael Graetzel為論文的共同通訊作者。該項工作得到了高峰學科-上海智能電子與系統研究院，博士后科學基金，國家自然科學基金和中國博士后國際交流引進計劃的資助。
氣相輔助沉積FAPbI3電池工作條件500小時穩定性研究：
（A）能量轉換效率（B）短路電流（C）開路電壓（D）填充因子（E）正反掃功率比值
論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6512/eabb8985
制圖：溫瑞琪實習編輯：責任編輯：李沁園
