《科学》报道北京大学周欢萍课题组在钙钛矿太阳能电池稳定组分的重要进展

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北京大学周欢萍教授团队开发了一种创新的碘嵌入-脱嵌策略，成功制备出高质量的非合金化α-FAPbI3钙钛矿薄膜，显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。该研究成果已于2025年1月17日发表在《科学》（Science）期刊上，这是该团队近期在钙钛矿太阳能电池领域取得的又一重要突破。

图1. 碘介导法制备非合金化FAPbI3的策略及验证。（A）非合金钙钛矿材料设计示意图及优势。（B）碘介导α-FAPbI3形成机制示意图。（C）氯苯溶液中PbI2薄膜与可溶性碘和FAI固体反应生成α-FAPbI3的示意图。（D）不同反应温度下α-FAPbI3、δ-FAPbI3和PbI2的XRD峰面积积分值。（E）FAI（左）或FAI+I2（右）旋涂在PbI2薄膜上的XRD图谱及退火温度关系。（F）FAI（左）或FAI+I2（右）旋涂在PbI2薄膜上的紫外-可见吸收光谱及退火温度关系

研究发现，碘单质与碘离子间的强键合作用，形成的多碘离子通过嵌入反应改变了FAI+PbI2→FAPbI3的反应路径，降低了α-FAPbI3的形成能垒。碘单质的易升华特性使其在退火过程中完全脱嵌，最终得到不含任何外源离子的高质量非合金化α-FAPbI3薄膜。

图2. 非合金化FAPbI3薄膜的碘介导形成机制。（A）旋涂和120°C退火过程中，Ref、MACl和I3−样品的原位GIWAXS图谱。（B）旋涂过程中Ref、MACl和I3−样品的原位PL光谱。（C）PbI2和多碘离子配位的钙钛矿中间体的拉曼光谱。（D）DFT计算的多碘离子配位钙钛矿团簇的表面能。（E）有无多碘化物参与的FAI+PbI2→FAPbI3反应的能量变化与反应进程关系图。（F）钙钛矿粉末水溶液与定量浓度下I0溶液的紫外-可见吸收光谱对比。（G）钙钛矿薄膜Pb 4f和I 3d的XPS光谱

该方法制备的非合金化α-FAPbI3薄膜具有优异的晶体质量、均匀性、光热稳定性和显著抑制的离子迁移行为。基于此薄膜制备的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率超过24%，并在85℃、持续1 Sun照射下，最大功率点跟踪1100小时后仍保持99%的初始效率。

图3. 器件性能。（A）器件性能参数统计数据。（B）冠军器件正反向扫描的J-V曲线（插图显示器件结构）。（C）I3−和MACl器件的入射光子-电流效率谱及积分电流密度。（D）氮气手套箱中，90°±2°C连续光照射和MPP跟踪下，未封装Ref、I3−和MACl器件的归一化输出功率变化。（E）MPP跟踪下各性能参数变化及其拟合降解率（rD）。（F）85°±5°C连续光照射和全光谱卤素灯（100 mW cm−2）稳定功率输出跟踪下，I3−和MACl器件的归一化输出功率变化

这项研究表明，通过碘化学策略调控钙钛矿结晶路径，可以有效提升材料的结晶质量和稳定性。该研究为钙钛矿光伏技术及其他软离子晶格光电材料的制备提供了新的思路。周欢萍博士后张钰和博士研究生陈彦润为该论文的共同第一作者，周欢萍教授为独立通讯作者。 该研究得到了多项国家级和省部级项目的资助。

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