北京大学，最新Nature

2023-10-26

40485

2023年10月18日，北京大学周欢萍团队在Nature 在线发表题为“Anion–π interactions suppress phase impurities in FAPbI3 solar cells”的研究论文，该研究展示了一种通过阴离子-π相互作用调节AX和六氟苯(HFB)反应动力学的替代方法。

值得注意的是，这两种方法是独立的，但共同建立了“双位点调控”，这实现了对AX和BX2之间反应的微妙控制，而不需要中间产物。制备的甲醛酰胺卤化铅(FAPbI3)薄膜缺陷少，吸收红移，相纯度高，无纳米级δ相。因此，作者实现了PSCs的功率转换效率(PCE)在0.08 cm2器件中高达26.07%(认证为25.8%)，在1 cm2器件中高达24.63%。在50 ± 5°C的全光谱AM 1.5 G阳光下，在最大功率点(MPP)跟踪1,258小时后，该器件还保持了94%的初始PCE。该方法通过探索阴离子-π相互作用，扩大了钙钛矿前驱体中发生的化学相互作用的范围，并突出了AX组分作为一种新的有效工作场所的重要性，以改进具有高质量和相纯度的光伏器件。

最近，金属卤化物钙钛矿(ABX3)已成为各种应用，特别是光伏应用的有前途的材料。PSCs的PCE迅速增加到26.1%。然而，由于钙钛矿的组成和相的复杂化学环境，在长期运行中保持其性能仍然具有挑战性，特别是在加速老化的情况下。所得薄膜存在多尺度缺陷，如点缺陷、组分非均质性、不良残留物、多尺度二次相等。这将导致较不理想的光学带隙、不利的光电响应甚至材料退化。此外，即使在用于最先进设备的高质量FAPbI3薄膜中，也发现了有害的纳米级相杂质。因此，迫切需要进一步提高钙钛矿材料的质量，减少多尺度杂质，特别是纳米级相杂质的研究较少。

溶液法形成钙钛矿膜速度快，反应和扩散剧烈，往往涉及中间相。调节前驱体化学可以使其完全转化为光活性α相或抑制光活性δ中间相。钙钛矿的形成可以看作是AX与BX2的反应。在这方面，电子供体如二甲亚砜(DMSO)16，N-甲基吡啶酮，Cl−，甲酸盐(Fa−)和硫氰酸盐(SCN−)被深入研究，它们与B位的电子接受金属阳离子(Pb2+和Sn2+)配合，以延缓成核并显著影响晶体生长，作者称之为BX2缓凝剂。然而，常用的电子供体如DMSO或甲基氯化铵(MACl)只能部分消除纳米级δ相杂质，而更强的电子供体由于相对强的相互作用和温和的晶体生长条件，可以带来二次相和残留物。

作者提出，除了仅仅通过给电子分子与BX2相互作用外，通过使用一种具有电子接受能力的新型缓凝剂(称之为AX缓凝剂)与给电子AX协同作用，可能会对钙钛矿的制备产生更精细的调控。然而，到目前为止，还没有尝试成功地实现具有AX组件的最先进的PSCs作为薄膜生长调节的工作位点。幸运的是，该研究发现阴离子-π相互作用可以用作这种AX缓凝剂。

总的来说，该研究已经证明了卤化物钙钛矿的生长可以通过阴离子-π与AX组分中的卤化物的相互作用得到很大的调节，这种相互作用是独立进行的，但与BX2调控一起工作良好，导致双位点调控。特别是，它抑制了δ-FAPbI3的形成，减少了α-FAPbI3钙钛矿中的组分残留，提高了组分和相的纯度，特别是没有检测到纳米级的相杂质。此外，由于阴离子-π相互作用广泛存在于缺电子系统和阴离子之间，这些发现和方法可以扩展到其他具有供电子阴离子的溶液处理复合材料。

论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06637-w