控制取向各异性提高混合离子钙钛矿的相结构稳定性

目前，有机-无机金属杂化钙钛矿太阳能电池由于光电转化效率高、制备工艺简单、材料成本低廉等优点备受瞩目。其中，FA基钙钛矿，由于其红移的吸收光谱和更好的热稳定性，近年来吸引了研究者越来越多的关注。但纯FAPbI₃立方相在室温下不稳定，容易发生相变，转变为无光伏作用的“黄相”，从而影响了钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。因此，制备高质量的物相结构稳定的FA基钙钛矿薄膜，进而得到高效稳定的钙钛矿太阳能电池是目前钙钛矿太阳能电池发展的一个重要课题。

针对FA基钙钛矿物相结构的稳定性，华中科技大学武汉国家光电研究中心的陈炜教授（点击查看介绍）团队，通过在微观/介观尺度研究FAPbI₃前驱体中溴化铯（CsBr）组分变化对钙钛矿晶体微应变和钙钛矿取向的影响，提出控制取向相异性来提高FACs基钙钛矿薄膜的结晶质量和物相稳定性的新策略。首次定义取向多样性因子（ODF=各峰强度平均值/最强峰强度）来描述材料晶体的取向各异性。

由图1可知，在FAPbI₃前驱体中加入CsBr，一方面可以抑制黄相的产生，并且减少薄膜缺陷，另一方面会造成钙钛矿取向的很大改变。通过分析钙钛矿的取向各异性发现，当CsBr的含量为15%时，ODF最大，晶体微应力最小，如图2所示。研究表明，纯FAPbI₃优先沿（001）晶面堆积，由于FA较大的尺寸所致的容限因子失衡，会导致大的晶格畸变并产生较大的微应力；在添加适当的CsBr含量后，增大的ODF有利于系统熵的增加，可以减少晶体扭曲，释放晶体中的微应力，从而提高取向的物相稳定性。最终，基于15%CsBr含量的反式平面结构钙钛矿太阳能电池，实现了17.59％的效率和良好的光照稳定性：连续光照500小时效率无明显衰减。

图 1. 不同CsBr含量钙钛矿退火前后的UV−vis 吸收谱（a和b）和 XRD（c和d）。（a）和（c）退火前；（b）和（d）退火后。

图 2. (a)晶体微应力和（b）取向多样性因子随CsBr含量的变化。

该工作有助于理解阳离子和卤素阴离子在微/介观尺度上调节钙钛矿晶体结构和相应光学、电学性质的机理，对进一步设计更有效和稳定的钙钛矿具有一定的指导作用。同时, 本文中定义的ODF可用于评价材料晶体取向多样性的一般参数。该成果近期发表在The Journal of Physical Chemistry Letters上，华中科技大学的张沙沙博士和华中科技大学的吴绍航博士是文章的共同第一作者。

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Controlling Orientation Diversity of Mixed Ion Perovskites: Reduced Crystal Microstrain and Improved Structural Stability

Shasha Zhang, Shaohang Wu, Rui Chen, Weitao Chen, Yuqian Huang, Hongmei Zhu, Zhichun Yang, Wei Chen*

J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 2898-2903, DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01180

导师介绍

陈炜

https://www.x-mol.com/university/faculty/49521