該研究論文第一作者為上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士后王勇。上海交通大學(xué)為第一完成和通訊單位。合作單位包括瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Grätzel教授、日本沖繩理工大學(xué)戚亞冰教授、吉林大學(xué)張立軍教授以及上海光源高興宇研究員團(tuán)隊(duì)。

近年來(lái)，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率獲得了快速提升，但其化學(xué)穩(wěn)定性差、易分解嚴(yán)重阻礙其商業(yè)化應(yīng)用。相比之下，全無(wú)機(jī)CsPbI3鈣鈦礦具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，即使耐受400度高溫也不發(fā)生分解，并且~1.7eV 帶隙的全無(wú)機(jī)CsPbI3鈣鈦礦是和廣泛使用的~1.1eV帶隙的晶硅構(gòu)建疊層太陽(yáng)能電池的理想材料。但是，全無(wú)機(jī)CsPbI3鈣鈦礦面臨結(jié)構(gòu)容忍因子過(guò)小導(dǎo)致的體相穩(wěn)定性差，鈣鈦礦材料缺陷多以及其器件能級(jí)匹配不理想引發(fā)的器件效率較低這兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。趙一新團(tuán)隊(duì)在前期研究中，率先證明了可以通過(guò)維度調(diào)控、有機(jī)陽(yáng)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(wěn)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(jī)制，大幅提高了CsPbI3鈣鈦礦的相穩(wěn)定化，獲得了17%的無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率紀(jì)錄(J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 12345)。

趙一新團(tuán)隊(duì)基于材料晶相的精準(zhǔn)表征與理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)β相CsPbI3比γ相CsPbI3具有更加優(yōu)異的相穩(wěn)定性和光伏性能。其次趙一新團(tuán)隊(duì)提出了利用有機(jī)陽(yáng)離子誘導(dǎo)調(diào)控CsPbI3結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的科學(xué)策略，成功解決了β相CsPbI3合成難題，實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下獲得高質(zhì)量的β相CsPbI3鈣鈦礦。該熱力學(xué)穩(wěn)定的β-CsPbI3鈣鈦礦同時(shí)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(shí)具有高度(110)晶面取向的β-CsPbI3晶體對(duì)稱性有所下降：Pb-I八面體表現(xiàn)出一定程度的扭曲，但又低于正交結(jié)構(gòu)的γ-CsPbI3中Pb-I八面體扭曲程度。趙一新團(tuán)隊(duì)和吉林大學(xué)張立軍團(tuán)隊(duì)合作，基于理論計(jì)算揭示了CsPbI3全無(wú)機(jī)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(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)和帶隙差異的關(guān)鍵，特別是從理論上指出β-CsPbI3會(huì)擁有更窄的帶隙，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。趙一新團(tuán)隊(duì)和上海光源高興宇楊迎國(guó)團(tuán)隊(duì)通過(guò)同步輻射實(shí)驗(yàn)合作，揭示了純相的β-CsPbI3表現(xiàn)出比之前報(bào)道的α-CsPbI3和γ-CsPbI3更佳的本征相穩(wěn)定性。

圖1. β-CsPbI3全無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料和結(jié)構(gòu)表征

趙一新團(tuán)隊(duì)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Gr?tzel團(tuán)隊(duì)、沖繩理工大學(xué)戚亞冰團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了裂紋界面工程方法。不同于之前僅能對(duì)鈣鈦礦上表面進(jìn)行鈍化修飾的常規(guī)界面工程，裂紋填充界面工程在對(duì)β-CsPbI3上表面進(jìn)行處理的同時(shí)，還可利用初始β-CsPbI3薄膜中存在的孔洞、缺陷等進(jìn)行填充，通過(guò)這些微通道使碘化膽堿均勻分布于β-CsPbI3上下表層和內(nèi)部(圖2)，可以實(shí)現(xiàn)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(yōu)化了β-CsPbI3與電荷傳輸層之間的能級(jí)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(fù)和能級(jí)優(yōu)化后的β-CsPbI3全無(wú)機(jī)鈣鈦礦電池獲得了>18%光電轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)中國(guó)計(jì)量院第三方認(rèn)證的最高效率18.3%，是當(dāng)前無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高值。這些研究成果對(duì)無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和其他鈣鈦礦材料光電應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)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(jì)劃(17SG11)和中國(guó)博士后科學(xué)基金(2017M621466)等項(xiàng)目的資助。同時(shí)，也獲得上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心和上海污染控制與生態(tài)安全研究院的大力支持。