近日，课题组孙向楠博士以第一作者身份在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Surface Halide Manipulation for Stable Inorganic Perovskite Solar Cells and Modules”的研究型论文

【研究背景】

富碘全无机钙钛矿具有理想的带隙、较高的热稳定性和化学稳定性，面临着多晶相稳定性低的严重问题，而富氯全无机钙钛矿展示出优异的热力学稳定性，但其光电转换效率相对有限。本文采用表面卤化物替代策略，构建了功能梯度全无机钙钛矿，通过稳定的富氯表层保护了高效的富碘主体层，实现了高稳定性的富氯钙钛矿与高效率的富碘钙钛矿有效结合，在4px²的单元电池和23.9 cm²模组中分别实现了21.2%和19.2%的效率，成分梯度有效钝化了CsPbI₃表面缺陷，抑制了光诱导的离子迁移和不良的多晶相转换。功能梯度的全无机钙钛矿策略使宽带隙钙钛矿太阳能电池能够满足工业标准，并促进钙钛矿/硅叠层太阳能电池的集成，为大规模商业化应用铺平了道路。

【本文要点】

随着Goldschmidt容忍因子接近1，无机钙钛矿的热力学稳定性顺序为CsPbI₃ < CsPbBr₃ < CsPbCl₃，但由于带隙逐渐增大，效率也会逐级下降。针对这一问题，本文提出了一种表面卤化物取代策略，通过在CsPbI₃表面构建富氯功能层，巧妙结合了碘基钙钛矿的高效率和氯基钙钛矿的高稳定性，实现了高稳定性与高效率的功能梯度结构。这种功能梯度结构突破了传统单一组分材料中效率与稳定性相互制约的矛盾。基于功能梯度钙钛矿制备的PSC在最大功率点下持续运行3200小时后，展示出可忽略的效率损失，充分验证了该方法的优越性。

图1 CsPbI₃钙钛矿表面的卤化物取代

功能梯度的无机钙钛矿是采用DMAX(X=Cl、Br或I)处理CsPbI₃薄膜，然后在210°C下进行热退火，形成表面含卤化物的CsPbI_3-yX_y结构，有效钝化表面缺陷，抑制离子迁移和多晶相转换。通过XPS深度剖析，验证了卤化物取代主要集中在钙钛矿表面而非体相。

图2 DMAX表面处理实现功能梯度的CsPbI₃

理论和实验结果表明，表面卤化物取代使钙钛矿的表面晶格收缩，且和掺杂浓度呈正比关系。同时，这种取代使CsPbI₃中碘空位的形成能、离子迁移活化能和相稳定性显著提高。

图3 钙钛矿太阳能电池的光伏性能

基于功能梯度全无机钙钛矿制备的4px²的单元电池和23.9 cm²钙钛矿模组效率分别为21.2%和19.2%，其中，模组效率是面积超过20 cm²的全无机钙钛矿模组中的最高效率。

图4 功能梯度全无机PSCs的稳定性

此外，功能梯度的全无机钙钛矿还显著提升了PSC的环境稳定性和运行稳定性。未封装的PSC在环境条件下储存1000小时后性能没有明显衰减，这主要归因于CsPbI₃从β相到δ相的多晶型转换被有效抑制。封装后的PSC在40℃、MPP条件下持续运行3500小时后，性能衰减小于1%，通过对MPP稳定性数据进行线性外推，预估器件的T₈₀寿命可达7.3年。这一稳定性结果使我们的器件跻身于迄今为止报道中效率超过21%的最稳定宽带隙PSC之列。