近日，微電子學院麥耀華教授和郭飛研究員團隊通過調控FAPbI3鈣钛礦結晶過程，利用刮塗方法制備得到高效穩定的α-FAPbI3太陽電池，在小面積器件上取得了21.35%的光電轉換效率，同時制備得到效率為17%的大面積組件（12.32 cm2）。相關成果以“Reducing Energy Barrier of -to-α Phase Transition for Printed Formamidinium Lead Iodide Photovoltaic Devices”為題發表在能源材料權威雜志《Nano Energy》上，太阳集团app首页許振華博士後為該論文的第一作者，郭飛研究員和麥耀華教授為文章的共同通訊作者。

       帶隙較窄的Alpha相FAPbI3鈣钛礦因其熱穩定性和效率方面的優勢，受到了國内外研究者們的廣泛關注。然而，α-FAPbI3的結晶溫度較高并且在室溫下容易自發轉變為delta相從而失去光伏特性。

       在該工作中，團隊通過引入質子化氮甲基吡咯烷酮（NMPH+）來調節鈣钛礦活性層薄膜的結晶過程（圖1）。作者首先利用XRD揭示了FAPbI3鈣钛礦結晶過程中NMPH+的調節作用，發現FAPbI3相變溫度由87 ℃降至70 ℃；同時相變能量勢壘由59.63 kJ/mol降至43.59 kJ/mol。這些研究結果表明，NMPH+對結晶過程有顯著調節作用，大幅降低了FAPbI3的相變能量勢壘，促進了高質量的鈣钛礦活性層的結晶。

圖1 alpha-FAPbI3結晶過程示意圖：(a), (b), (c), 和(d) 不同添加劑對應的鈣钛礦單晶圖。(e) 鈣钛礦結晶過程中的相變：面面相連的delta相-點點相連的delta相-陽離子缺位alpha相-純alpha相

       作者進一步通過培養鈣钛礦單晶，揭示鈣钛礦結晶過程中的精細相變過程。結果表明，在FAPbI3的相變過程中，由于甲脒陽離子尺寸FA大于甲胺陽離子MA，在FAPbI3相變中會自發排出部分FA，形成陽離子空位。經過進一步退火，FA陽離子重新填滿空位，最終形成純alpha-FAPbI3鈣钛礦活性層。利用FAPbI3鈣钛礦這一特性，團隊通過引入微量大陽離子NMPH+來調控結晶過程，最終刮塗制備得到了高質量鈣钛礦薄膜，并進行了小面積器件和大面積組件制備（圖2）。

圖2 （a）大面積模組器件示意圖和（b）相應的刻蝕圖案；（c）12.32 cm2的的器件性能；（d）55.44 cm2的的器件性能

       該研究得到國家自然科學基金，廣東省自然科學基金以及中央高校基本科研專項資金項目的支持。

原文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521009095