-中外科學家破解鈣鈦礦穩(wěn)定性難題

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?有機氣相輔助沉積技術分子動力學過程：（左）相FAPbI₃面共享八面體結構（右）相FAPbI₃角共享八面體結構
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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(lián)邦理工大學Anders Hagfeldt、Michael Graetzel團隊合作，成功通過一種氣相輔助生長方法實現(xiàn)了室溫穩(wěn)定的α-FAPbI₃（黑相甲脒鉛碘）鈣鈦礦材料，并且制備出了光電轉(zhuǎn)換效率大于23%的高效穩(wěn)定太陽能電池。相關研究成果10月2日在線發(fā)表于《科學》。
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金屬鹵化物鈣鈦礦因其卓越的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(fā)光二極管、激光器和光電探測器等。在過去的10年內(nèi)，基于鈣鈦礦的太陽能電池，其功率轉(zhuǎn)換效率也從起初的3.8%上升到近來的20%以上。
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但此類材料的最大缺點就是熱穩(wěn)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(wěn)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?qū)嵱玫牟牧现弧Ｈ欢芯堪l(fā)現(xiàn)FAPbI₃在室溫下會從光活性的黑相（a相）轉(zhuǎn)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。因此，如何獲得穩(wěn)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。
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研究人員深入研究FAPbI₃的相變機理，創(chuàng)新性地開發(fā)了MASCN（硫氰酸甲基銨）氣相輔助生長技術?；诖隧椉夹g，能夠在較低退火溫度下（100°C）成功將FAPbI3從d相完全轉(zhuǎn)化為a相，并保持長期穩(wěn)定。
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同時，研究人員借助分子動力學模擬，首次厘清了SCN-離子的作用機制：SCN^-優(yōu)先吸附于d相FAPbI3表面，由于Pb²⁺與S之間的強親和力作用，SCN^-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(zhuǎn)變形成模板化效應，自上而下，將d相FAPbI₃完全轉(zhuǎn)化為a相FAPbI₃。由于表面SCN^-跟Pb²⁺之間的強親和力作用，形成了穩(wěn)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(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性。
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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(xiàn)了其超高工作狀態(tài)穩(wěn)定性。
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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(xiàn)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(xiàn)飛行器和柔性智能機器人等的輕質(zhì)高效自主供電。
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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(xiàn)電致發(fā)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。
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專家表示，這項突破性研究成果為鈣鈦礦材料在高效輕質(zhì)光伏電池、新型LED和其它光電器件系統(tǒng)等應用奠定了基礎，對太陽能清潔能源的泛在利用、新型柔性大面積光電器件與系統(tǒng)、以及智能機器人自主供電等具有重要意義。



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