《科學》發表上海交通大學趙一新團隊的無機鈣鈦礦太陽能電池最新研究成果
該研究論文第一作者為上海交通大學環境科學與工程學院博士后王勇。上海交通大學為第一完成和通訊單位。合作單位包括瑞士洛桑聯邦理工學院Grätzel教授、日本沖繩理工大學戚亞冰教授、吉林大學張立軍教授以及上海光源高興宇研究員團隊。
近年來，有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池效率獲得了快速提升，但其化學穩定性差、易分解嚴重阻礙其商業化應用。相比之下，全無機CsPbI3鈣鈦礦具有優異的化學穩定性，即使耐受400度高溫也不發生分解，并且~1.7eV 帶隙的全無機CsPbI3鈣鈦礦是和廣泛使用的~1.1eV帶隙的晶硅構建疊層太陽能電池的理想材料。但是，全無機CsPbI3鈣鈦礦面臨結構容忍因子過小導致的體相穩定性差，鈣鈦礦材料缺陷多以及其器件能級匹配不理想引發的器件效率較低這兩大關鍵挑戰。趙一新團隊在前期研究中，率先證明了可以通過維度調控、有機陽離子表面端基化等方法擠壓Pb-I八面體提高容忍因子，從而獲得良好的相穩定性（Sci. Adv., 2017, 3, e1700841）。提出了一種新的Br梯度摻雜提高容忍因子并鈍化I缺陷的機制，大幅提高了CsPbI3鈣鈦礦的相穩定化，獲得了17%的無機鈣鈦礦太陽能電池器件效率紀錄（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 12345）。
趙一新團隊基于材料晶相的精準表征與理論計算，發現β相CsPbI3比γ相CsPbI3具有更加優異的相穩定性和光伏性能。其次趙一新團隊提出了利用有機陽離子誘導調控CsPbI3結晶動力學的科學策略，成功解決了β相CsPbI3合成難題，實現了在溫和條件下獲得高質量的β相CsPbI3鈣鈦礦。該熱力學穩定的β-CsPbI3鈣鈦礦同時具有高度（110）晶面取向利于電荷傳輸（圖1所示）。與立方晶相的α-CsPbI3相比，隸屬于四方晶系同時具有高度（110）晶面取向的β-CsPbI3晶體對稱性有所下降：Pb-I八面體表現出一定程度的扭曲，但又低于正交結構的γ-CsPbI3中Pb-I八面體扭曲程度。趙一新團隊和吉林大學張立軍團隊合作，基于理論計算揭示了CsPbI3全無機鈣鈦礦中α、β、γ三種晶相中Pb-I八面體扭曲程度不同是導致晶體結構和帶隙差異的關鍵，特別是從理論上指出β-CsPbI3會擁有更窄的帶隙，和實驗結果一致。趙一新團隊和上海光源高興宇楊迎國團隊通過同步輻射實驗合作，揭示了純相的β-CsPbI3表現出比之前報道的α-CsPbI3和γ-CsPbI3更佳的本征相穩定性。
圖1. β-CsPbI3全無機鈣鈦礦材料和結構表征
趙一新團隊和洛桑聯邦理工學院Gr?tzel團隊、沖繩理工大學戚亞冰團隊進一步提出了裂紋界面工程方法。不同于之前僅能對鈣鈦礦上表面進行鈍化修飾的常規界面工程，裂紋填充界面工程在對β-CsPbI3上表面進行處理的同時，還可利用初始β-CsPbI3薄膜中存在的孔洞、缺陷等進行填充，通過這些微通道使碘化膽堿均勻分布于β-CsPbI3上下表層和內部（圖2），可以實現鈣鈦礦全方位的修飾改性。這些全方位分布的碘化膽堿不但全面鈍化了β-CsPbI3層缺陷，而且優化了β-CsPbI3與電荷傳輸層之間的能級匹配，從而大幅度改善了器件的光伏性能。最終，基于缺陷修復和能級優化后的β-CsPbI3全無機鈣鈦礦電池獲得了>18%光電轉換效率，經中國計量院第三方認證的最高效率18.3%，是當前無機鈣鈦礦太陽能電池的最高值。這些研究成果對無機鈣鈦礦太陽能電池和其他鈣鈦礦材料光電應用具有重要指導意義。
該研究得到國家自然科學基金（21777096，51861145101）、教育部霍英東青年教師基金（151046），上海市教委曙光人才計劃（17SG11）和中國博士后科學基金（2017M621466）等項目的資助。同時，也獲得上海交通大學變革性分子前沿科學中心和上海污染控制與生態安全研究院的大力支持。