中原標準時間9月30日晚，國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)線上發表南開大學化學學院袁明鑒教授課題組與加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授課題組聯合研究進展。
該研究題為“High-efficiency and thermally stable FACsPbI3 perovskite photovoltaics”。團隊針對鈣钛礦太陽能電池在高溫工況條件下穩定性不足這一領域難題進行深入研究，首次揭示了合金鈣钛礦薄膜内部複雜的化學組分偏析問題。基于此，研究團隊發展了一種全新的原位結晶動力學調控政策，成功制備出了兼具高效率與高工況穩定性的鈣钛礦太陽能電池器件，标志着在該領域的重大技術突破。
南開大學為第一通訊機關，化學學院袁明鑒教授、加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授為該論文通訊作者。
研究指出，目前高性能鈣钛礦太陽能電池在制備過程中往往需要依賴氯化甲铵添加劑來穩定物相并調控結晶。然而，這種添加劑在高溫條件下極易分解，引發鈣钛礦薄膜化學組分失衡，進而顯著降低電池在高溫工況下的運作穩定性，成為制約高性能鈣钛礦光伏商業化程序的主要障礙。
FACsPbI3合金鈣钛礦具有高相态與化學穩定性，理論上無需依賴氯化甲铵添加劑，是實作高性能高穩定鈣钛礦太陽能電池最有希望的候選材料。然而，傳統方法制備的FACsPbI3鈣钛礦太陽能電池在實際應用中，性能與工況穩定性遠低于理論預期，原因亟待深入探讨。是以，深挖鈣钛礦光伏材料本征結構穩定性，了解FACsPbI3合金鈣钛礦太陽能電池器件失效機制，實作高效高溫工況穩定的鈣钛礦太陽能電池器件可控構築，成為推動鈣钛礦光伏技術進一步發展的迫切需求。
圖：結晶路徑轉變政策實作高效率高溫工況穩定FACsPbI3鈣钛礦太陽能電池
袁明鑒教授課題組長期緻力于高性能鈣钛礦半導體光電材料與器件研究。在持續探索新型高穩定鈣钛礦材料體系過程中，課題組利用同步輻射光源等大科學裝置，在前期開展了大量的時間空間分辨原位表征實驗，系統探究了FACsPbI3合金鈣钛礦的結晶動力學行為。基于以上研究，團隊首次揭示了在FACsPbI3合金鈣钛礦中，由于時空差異性結晶行為導緻的組分縱向梯度偏析問題，并指出該問題是導緻FACsPbI3鈣钛礦太陽能電池器件性能低和高溫工況穩定性不足的關鍵因素。
在此基礎上，課題組與合作機關開展了深入的理論模拟研究，闡明了該空間組分異質性的根本成因。随後，通過理性篩選配體化學結構，結合多元度原位結晶動力學研究，研究團隊首次提出了具有普适性的結晶路徑調控轉換政策，最終實作了高品質無甲铵FACsPbI3鈣钛礦薄膜可控制備，徹底解決了FACsPbI3鈣钛礦薄膜的空間組分異質性問題。利用該政策制備的FACsPbI3鈣钛礦太陽能電池器件，展現出了世界一流的能量轉換效率與高溫工況穩定性。經過福建國家光伏産業計量中心和中國科學院上海微系統與資訊技術研究所的權威認證，該器件的穩态能量轉換效率達到了目前正式鈣钛礦太陽能電池的最高水準。
該項研究立足化學基礎學科，結合了先進的理論模拟分析技術，融合了凝聚态實體與半導體器件等多學科交叉研究手段，成功實作了對鈣钛礦半導體材料本征結構特性及構效關系的進一步深入了解，發展了高品質鈣钛礦薄膜關鍵光伏材料可控制備新原理和新方法，為新一代鈣钛礦光伏電池技術發展賦能。
化學學院實體化學專業博士研究所學生李賽賽、王迪、丁紫津，化學學院特聘研究員姜源植為該論文共同第一作者。
上述研究工作得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金委創新群體等項目的資助，同時也得到了特種化學電源全國重點實驗室、有機新物質創造前沿科學中心等平台的大力支援。
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來源：南開大學融媒體中心 化學學院
編輯：張瑜
稽核：嚴景雲 張楊子涵 賀賽