beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室曲波副教授、肖立新教授研究團隊與合作者，針對高濕度條件下光伏活性黑相鈣钛礦易發生相變的科學難題，采用“原位構建晶體覆蓋層”策略，成功突破了高濕度環境下穩定制備高性能鈣钛礦光伏器件的瓶頸。相關研究成果以“晶體覆蓋層用于在潮濕空氣條件下制備黑相FAPbI₃鈣钛礦”（A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI₃ perovskite in humid air）為題，于2024年7月12日在線發表于國際期刊《科學》（Science）。

為助力我國早日實現“雙碳”目标，發展新型高效鈣钛礦太陽能電池成為綠色能源革命的重要方向。目前，高性能鈣钛礦太陽能電池的制備與優化策略主要基于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）及配位溶劑二甲基亞砜（DMSO）組成的經典混合溶劑體系，且通常需要在手套箱惰性氣氛環境或受控的低濕度等嚴苛條件下進行，這無疑增加了器件制備的工藝複雜度和成本。然而，在較高濕度下制備器件時，配位溶劑吸收水分子會誘導中間相向無光伏特性的黃相鈣钛礦的不利相變，進而阻礙具有光伏活性的黑相FAPbI₃鈣钛礦的形成，緻使器件光伏性能與器件制備的可重複性明顯下降。

針對上述科學難題，研究團隊采用多種（準）原位光譜表征手段，深入研究了經典溶劑體系在濕度環境下鈣钛礦薄膜的結晶動力學過程。研究團隊提出了一種原位構建晶體覆蓋層策略，通過向兩步法前驅體溶液中引入一系列含氯有機分子，組份間的表面能差異及其相互作用改變了碘化鉛中間相薄膜的結晶動力學過程，在退火過程中形成了明顯的分層結構。薄膜上層逐漸原位形成緻密且疏水的晶體覆蓋層，下層則是優化鈣钛礦結晶過程的關鍵組份DMSO-PbI₂複合物。由此，這一原位形成的晶體覆蓋層極大程度減少了制備過程中水分子的侵蝕，并且有效阻擋了下層中DMSO在退火過程中的揮發，同時實現了阻止DMSO吸水和保留DMSO-PbI₂以優化結晶的雙重效果，解決了經典溶劑體系在高濕度環境下穩定制備高質量鈣钛礦光伏活性層的難題（圖1）。

圖1：原位形成晶體覆蓋層的中間相薄膜。（A）TTM-7BCz分子的化學結構式；（B-F）含有TTM-7BCz的中間相薄膜形貌與組份随退火時間的轉變過程；（G-J）基于不同中間相薄膜制備的鈣钛礦薄膜的吸水性與結晶質量；（K）含有原位形成的晶體覆蓋層的中間相薄膜的結構與功能示意圖。

圖2：基于原位構建晶體覆蓋層策略的鈣钛礦太陽能電池的光伏性能、可重複性及穩定性。（A）不同類型完整器件的截面掃描電鏡圖；（B-C）不同器件的J-V掃描曲線及EQE曲線；（D）不同濕度下基于不同中間相薄膜制備鈣钛礦光伏器件的性能可重複性；（E-F）不同類型未封裝器件的存儲穩定性及工作穩定性測試。

研究團隊還發現，高濕度環境下器件的光伏性能及器件制備的可重複性大幅提升。在20-60% RH環境濕度下，穩定制備出能量轉換效率超過24.5%的光伏器件；當濕度高達80% RH時，也可穩定制備出效率超過23.5%的光伏器件。研究團隊還首次報道了高濕度環境下制備的光伏器件在加速老化（ISOS-L-2I标準）條件下的工作穩定性，得益于鈣钛礦高質量的膜層和相穩定性，該工作中制備的光伏器件在存儲、光照、加熱等條件下均展現出優異的工作穩定性（圖2）。此外，在不同制備方法、器件面積及結構、鈣钛礦組份及衍生物添加劑種類等實驗條件下，原位構建晶體覆蓋層實驗策略具有廣泛的普适性。因此，研究團隊提出的原位構建晶體覆蓋層策略是解決高濕度環境下制備高效、穩定光伏器件的有效途徑，這将有力推動鈣钛礦光伏器件的實際應用與産業化進程。

beat365官方网站2019級博士生鄒瑜、博士後俞文錦、2020級博士生郭浩清、2019級博士生李齊治為該論文的共同第一作者；beat365官方网站曲波、肖立新、瑞士洛桑聯邦理工學院魏明楊博士、Michael Grätzel院士為該論文的共同通訊作者。其他主要合作者包括beat365陳志堅教授、龔旗煌院士、彭瑩瑩研究員、周歡萍教授、王樹峰副教授、高宇南研究員、北京理工大學陳棋教授與陳怡華助理教授、清華大學張東東助理研究員，瑞士洛桑聯邦理工學院Shaik M. Zakeeruddin教授等。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室的支持。

論文原文鍊接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9646