重磅！厦门大学，今日Science！

来源： 微算云平台

钙钛矿光伏受限于结晶过程中引发并在运行条件下放大的结构不稳定性。

成果简介

在此，厦门大学郑南峰院士，吴炳辉教授，暨南大学麦耀华教授，刘冲副研究员和清华大学易陈谊副教授等 人报道了一种晶格匹配的普鲁士蓝支架，它引导异质成核以制备高度取向、应变弛豫的薄膜。其氧化还原活性的Fe–C≡N–Fe网络介导Pb0和I0缺陷的转化，其刚性开放框架抑制A位阳离子再分布以及偏压下由此产生的电子不均匀性。该策略实现了冠军功率转换效率，n-i-p结构为26.1%，p-i-n结构为26.9%（认证值26.2%），并放大到6厘米×6厘米迷你组件效率23.4%和30厘米×30厘米子组件认证效率22.9%。初始功率转换效率为20.2%至21.0%的子组件在加速老化下表现出稳健的耐久性，并在5个月的户外测试中相对于硅参考未见明显衰减。

相关文章以“Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells”为题发表在Science上！

研究内容

钙钛矿光伏已迅速接近成熟硅技术的效率水平，但其从实验室规模器件向商业化相关组件的转化仍受限于一个持续存在的材料挑战：钙钛矿晶格在其整个生命周期中在结构上是动态的。在溶液加工过程中，随机成核和复杂的中间相演变会产生残余应变、晶格无序和元素缺陷。在随后的光照、热和电偏压下，这些结构缺陷被放大，驱动离子再分布、电子不均匀性和不可逆降解。因此，结晶过程中播下的缺陷在运行应力下继续演变，导致后续器件退化。

大量研究致力于调控这一结晶过程和减轻缺陷。分子添加剂和有机钝化剂可以改善薄膜结晶并抑制非辐射复合，但这些策略通常依赖结构柔软的物种。在长期热、光和电应力下，此类分子可能迁移、脱附或化学转化，逐渐降低其有效性。无机方法通过引导成核、改善晶格组织或调控缺陷化学提供了替代途径。然而，在卤化物钙钛矿中，结晶、缺陷演变和离子迁移本质上是耦合的，而大多数现有策略仅影响这一序列中的一个阶段。因此，一个核心挑战是开发一种结构稳健的平台，既能引导薄膜形成，又能在器件运行期间保持功能——此时缺陷化学和离子传输变得日益耦合。

在此，本文使用一种刚性、结构同源的普鲁士蓝（PB）框架来桥接这些阶段。其与卤化物钙钛矿的晶体学相容性以及稳健的Fe–C≡N–Fe网络使PB能够参与薄膜形成，同时在器件运行期间保持其结构完整性。在结晶过程中，它促进异质成核并抑制中间相，产生高度取向、应变弛豫的薄膜。在运行过程中，其氧化还原活性框架介导Pb0和I0缺陷的转化，其开放晶格限制A位阳离子的长程再分布，且框架体积变化极小。为将离子再分布与电子不均匀性联系起来，我们结合了原位飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）与开尔文探针力显微镜（KPFM）。这些测量揭示，抑制场驱动离子迁移可在偏压下保持电子均匀性。

PB框架的机理优势转化为规模化高性能和增强的耐久性。该策略在小面积电池中实现了功率转换效率（PCEs）：n-i-p结构26.1%（0.09 cm2）和p-i-n结构26.9%（0.10 cm2；认证26.2%），并放大到30 cm×30 cm子组件认证效率22.9%（孔径面积756 cm2）。对最大功率点跟踪（MPPT）下温度依赖降解动力学的Arrhenius外推得出，在35°C运行下预计T80寿命约为6.2 × 104±1.0 × 104小时，其中T80是器件效率退化至初始值80%所需的时间。在为期151天的户外现场测试中，子组件的性能相对于商用硅参考未见明显下降趋势，为耐久钙钛矿部署提供了一条可行途径。

图1：基于PB模板调控钙钛矿结晶的热力学与动力学特性。

图2：通过氧化还原介导与阳离子锚定调控离子动力学。

图3：从小型电池到大面积组件的光伏性能缩放研究。

图4：多重应激源下的稳定性评估。

结论展望

综上所述，本文工作表明，结构同源性使得能够设计用于卤化物钙钛矿制备和运行的开放框架调控剂。PB框架调控了三个相互关联的过程：引导异质结晶、调控氧化还原介导的缺陷演变，以及抑制场诱导的离子再分布。原位ToF-SIMS与KPFM的关联测量将受抑制的离子动力学与外加偏压下改善的电子均匀性联系起来，阐明了增强的运行稳定性。由此获得的PCE、可扩展性和运行稳定性，展示了开放框架材料在高效耐久钙钛矿光伏中的广阔前景。

文献信息

Fang Cao, Mengen Ma, Junjie Zhou, Fangwen Cheng, Zheng Dai, Linyuan Chen, Yuhao Hong, Di Tian, Shaoqi Zhan, Yu Chen, Pengfei An, Xin Li, Xinyu Lin, Zhenhuang Su, Xingyu Gao, Jianhao Yang, Xiaofeng Huang, Jun Yin, Jing Li, Hua Zhang, Xian-Kui Wei, Zhiguo Qu, Chong Liu, Chenyi Yi, Yaohua Mai, Binghui Wu, and Nanfeng Zheng, Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef5487

由于公众号改版，为防错过更多资源，给我们加个星标吧

说明：来源：微算云平台，如需转载，请在开头注明来源。仅供学习交流分享使用，版权归原作者所有，文章只代表作者本人观点，不代表公众号立场。如有侵权，请联系我们（Hilib oy）删除，感谢支持！也欢迎有兴趣的朋友分享、投稿、申请转载、互开长白。

了解更多信息

↓↓↓欢迎点赞和推荐哦