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頂刊收割機(jī)鈣鈦礦大盤點(diǎn)

來源：本站時(shí)間：2019-10-24 00:00:00 瀏覽：9696次

1. 陳棋Adv. Mater.：鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)力調(diào)控策略

如今，由于有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦具有出色的光電性能，它們已成為研究最深入的光伏材料之一。鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）在幾年內(nèi)從3.8％提高到24.2％。但是，PSC的不穩(wěn)定性仍然是其商業(yè)化的最大障礙。目前，研究者已經(jīng)通過多種方法來提高材料的耐濕氣，氧氣和熱電應(yīng)力性能，而不會(huì)嚴(yán)重影響器件效率。

北京理工大學(xué)的陳棋教授課題組研究了鈣鈦礦薄膜中通過A位摻入的殘余應(yīng)力松弛。在(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15鈣鈦礦薄膜上通過晶格重構(gòu)進(jìn)行后處理過程，以調(diào)節(jié)沿薄膜厚度方向的殘余應(yīng)力分布。研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)討論了控制界面殘余應(yīng)力松弛的潛在機(jī)制。所得器件的PCE從20.02％提高到21.48％，并且獲得了顯著的穩(wěn)定性：觀察到在沒有封裝的情況下暴露于環(huán)境中超過1000小時(shí)僅有輕微的下降。

此外，作者發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜表面晶格上的一個(gè)位點(diǎn)合金化導(dǎo)致界面構(gòu)型類似于“骨關(guān)節(jié)”，從而在熱循環(huán)測(cè)試中為外部應(yīng)力提供了緩沖作用。

文獻(xiàn)鏈接：

Interfacial Residual Stress Relaxation in Perovskite Solar Cells with Improved Stability (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904408)

2. 崔屹Joule：低溫電磁分解有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦的分解機(jī)理及原子結(jié)構(gòu)

盡管混合有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦太陽能電池取得了快速進(jìn)展，但由于其對(duì)電子束輻射和環(huán)境暴露的極端敏感性，因此無法使用透射電子顯微鏡研究其原子結(jié)構(gòu)。

美國(guó)斯坦福大學(xué)的崔屹教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了低溫電子顯微鏡（cryo-EM）的方法，可在原子分辨率成像的各種操作條件下保存極為敏感的鈣鈦礦，甲基銨碘化鉛（MAPbI₃）。研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)間的紫外線照射和僅在空氣中暴露10 s后樣品表面變粗糙，碘化鉛納米顆粒在MAPbI₃納米線的表面上沉淀，而傳統(tǒng)的X射線衍射仍未發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象。

作者確定了關(guān)鍵電子劑量的定義，并且在低溫條件下，MAPbI₃的此值在1.49 A?空間分辨率下為12 e^-/A?²。這個(gè)結(jié)果強(qiáng)調(diào)了cryo-EM的重要性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)技術(shù)無法捕獲樣品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的重要納米級(jí)變化，而這些變化對(duì)鈣鈦礦型太陽能電池的穩(wěn)定性和性能具有重要意義。

文獻(xiàn)鏈接：

Unravelling Degradation Mechanisms and Atomic Structure of Organic-Inorganic Halide Perovskites by Cryo-EM (Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.08.016)

3. 韓宏偉和梅安意Adv. Energy Mater.：鹵化物鈣鈦礦太陽能電池添加劑的綜述

添加劑被廣泛用于高效、穩(wěn)定和無滯后的鈣鈦礦太陽能電池，并在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的各種進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。

華中科技大學(xué)的韓宏偉教授和梅安意教授在這篇綜述中對(duì)用于PSC的各種添加劑進(jìn)行了總結(jié)，并概括了它們的作用機(jī)理以及對(duì)器件性能的影響。添加劑的主要作用是調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的形態(tài)，穩(wěn)定基于甲酰胺基（FA）和銫（Cs）的鈣鈦礦的相，調(diào)節(jié)PSC中的能級(jí)排列，抑制鈣鈦礦中的非輻射復(fù)合，消除磁滯現(xiàn)象，增強(qiáng)PSC的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)鏈接：

A Review on Additives for Halide Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201902492)

4. 戚亞冰和王國(guó)峰ACS Nano：有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦中的表面缺陷動(dòng)力學(xué)：從機(jī)理到界面性質(zhì)

有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦（OHP）憑借其出色的光電性能和低成本制造，已在光伏和發(fā)光二極管研究界引起了廣泛關(guān)注。鈣鈦礦中的缺陷會(huì)影響器件的效率和穩(wěn)定性，并在離子遷移方面具有潛在影響。

日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究院大學(xué)的戚亞冰教授和匹茲堡大學(xué)的王國(guó)峰教授在這項(xiàng)研究中，在原子尺度上研究了CH₃NH₃PbBr₃（MAPbBr₃）中固有缺陷的動(dòng)力學(xué)行為和電子性質(zhì)。作者使用掃描隧道顯微鏡來明確顯示空位輔助運(yùn)輸個(gè)別離子的發(fā)生以及OHP表面空位缺陷簇的存在。作者將這些觀察結(jié)果與密度泛函理論（DFT）計(jì)算相結(jié)合，以確定這種離子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，并表明表面的離子遷移能壘以及遷移機(jī)理取決于晶體的方向。DFT計(jì)算還表明，空位缺陷簇可以顯著地改變鈣鈦礦表面的局部功函數(shù)，從而有望改變器件中的界面電荷傳輸。這項(xiàng)工作提供了對(duì)OHP中離子遷移機(jī)制的微觀洞察，并且還提供了從接口工程角度改進(jìn)設(shè)備的有用信息。

文獻(xiàn)鏈接：

Surface Defect Dynamics in Organic?Inorganic Hybrid Perovskites: From Mechanism to Interfacial Properties (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b06585)

5. Sai-Wing Tsang Adv. Energy Mater.：填充系數(shù)超過80％的高性能鈣鈦礦太陽能電池?zé)o摻雜共面D-π-D空穴傳輸材料的合理設(shè)計(jì)

作為有前途的光伏技術(shù)，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）由于其出色的吸光性，電荷載流子傳導(dǎo)性，具有成本效益的溶液加工制造技術(shù)，尤其是其較高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）而備受關(guān)注。基于spiro-OMeTAD或PTAA的PSC的PCE已超過22%。但是，這兩個(gè)基準(zhǔn)HTM的未來應(yīng)用將遭受其高成本的困擾，這是它們合成和純化過程復(fù)雜所導(dǎo)致的。

此外，由于固有的空穴電導(dǎo)率不足，sprio-OMeTAD和PTAA通常都需要使用鹽或小分子進(jìn)行額外的摻雜工藝。盡管導(dǎo)電性有所改善，但是這些摻雜物的使用不僅使器件制造復(fù)雜化，而且對(duì)所得PSC的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。因此，迫切需要開發(fā)低成本的不含摻雜劑的有機(jī)HTM，該有機(jī)HTM可以替代基于spiro-OMeTAD或PTAA的HTM，并進(jìn)一步提高器件效率和穩(wěn)定性。

香港城市大學(xué)的Sai-Wing Tsing教授報(bào)道了兩種新型的D-π-D空穴傳輸材料（HTM），分別縮寫為BDT-PTZ和BDT-POZ，它們由BDT作為π-共軛連接體，PTZ/ POZ作為供體單元。以上兩個(gè)HTM作為無摻雜HT層部署在p-i-n鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中，分別具有出色的功率轉(zhuǎn)換效率為18.26％和19.16％。尤其是，BDT-POZ表現(xiàn)出卓越的填充因子，為81.7％。這與其通過穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜和空間電荷限制電流技術(shù)驗(yàn)證的更有效的空穴提取和傳輸相一致。單晶X射線衍射表征表明這兩個(gè)分子具有不同的堆積趨勢(shì)，這可能解釋了PSC中各種界面空穴傳輸能力。

文獻(xiàn)鏈接：

Rational Design of Dopant-Free Coplanar D-π-D Hole-Transporting Materials for High-Performance Perovskite Solar Cells with Fill Factor Exceeding 80% (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201901268)

6. 徐庶Angew. Chem. Int. Ed.：通過水-油界面合成方法控制CH₃NH₃PbBr₃鈣鈦礦納米晶體的生長(zhǎng)

由于有機(jī)-無機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體（LHP NCs）的超快形成速度，因此科研工作者對(duì)其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知十分有限。

河北工業(yè)大學(xué)徐庶教授開發(fā)了MAPbBr₃ NCs的水-油界面合成，將反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)十分鐘。該方法可以原位監(jiān)測(cè)MAPbBr₃ NC的形成過程，并通過延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間在單個(gè)反應(yīng)中觀察從438nm到534nm的連續(xù)光譜演變。該方法的實(shí)施取決于降低PbBr₆^4-八面體的形成速率和MA的擴(kuò)散速率。PbBr₆^4-的形成是決定反應(yīng)速率的步驟，雙相體系為控制MA的傳質(zhì)提供了良好的反應(yīng)條件。

文獻(xiàn)鏈接：

Controlled Growth of CH₃NH₃PbBr₃ Perovskite Nanocrystals via a Water-Oil Interfacial Synthesis Method (Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910225)

7. 向萬春Nat. Commun.：混合鹵化物無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池中鋇誘導(dǎo)的相分離和帶隙減小

全無機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦正在向有效的長(zhǎng)期穩(wěn)定材料和太陽能電池發(fā)展。元素?fù)诫s，特別是在鉛位上的摻雜，已被證明是一種獲得有效且穩(wěn)定的無機(jī)鈣鈦礦型太陽能電池所需的薄膜質(zhì)量和材料相的有用策略。

武漢理工大學(xué)向萬春教授通過在CsPbI₂Br中添加鋇來演示其功能。作者發(fā)現(xiàn)鋇沒有摻入鈣鈦礦晶格中，但會(huì)引起相偏析，與前體化學(xué)計(jì)量相比，碘化物/溴化物的比率發(fā)生變化，因此鈣鈦礦相的帶隙能降低。鋇含量為20mol％的器件顯示出14.0％的高功率轉(zhuǎn)換效率，并極大地抑制了無機(jī)鈣鈦礦內(nèi)部的非輻射復(fù)合，產(chǎn)生了1.33 V的高開路電壓，電致發(fā)光的外量子效率為10^?4。

文獻(xiàn)鏈接：

Ba-induced phase segregation and band gap reduction in mixed-halide inorganic perovskite solar cells (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12678-5)

8. Jian Wang Nano Energy：通過將機(jī)器學(xué)習(xí)方法與第一性原理計(jì)算相結(jié)合，在光伏系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定且無毒的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦雜化材料

傳統(tǒng)的試錯(cuò)法嚴(yán)重限制和阻礙了高性能功能材料的搜索，尤其是當(dāng)搜索空間很大時(shí)。快速尋找高級(jí)功能材料一直是研究的熱點(diǎn)，并引起了許多實(shí)驗(yàn)和理論研究的關(guān)注。

香港大學(xué)的Wang Jian教授通過將機(jī)器學(xué)習(xí)方法與密度泛函理論（DFT）計(jì)算相結(jié)合，提出了一種目標(biāo)驅(qū)動(dòng)方法，以加快從230808個(gè)HOIP候選對(duì)象中發(fā)現(xiàn)用于光伏應(yīng)用的隱藏混合有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦（HOIP）的速度。作者在對(duì)潛在的HOIP候選對(duì)象施加兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（即電荷中性條件和穩(wěn)定性條件）之后，隨后進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）篩選，選擇了686個(gè)具有適當(dāng)帶隙的正交晶狀HOIP。在機(jī)器學(xué)習(xí)篩選中，使用包括梯度增強(qiáng)回歸（GBR），支持向量回歸（SVR）和核嶺回歸預(yù)測(cè)（KRR）在內(nèi)的三種ML模型進(jìn)行集成學(xué)習(xí)，以預(yù)測(cè)38086 HOIP候選者的帶隙。

最終，通過DFT計(jì)算并在太陽能電池具有適當(dāng)?shù)膸兜那闆r下驗(yàn)證了132種穩(wěn)定且無毒類HOIP。在本研究中，不僅發(fā)現(xiàn)了一系列未經(jīng)探索的穩(wěn)定且無毒的HOIP，可用于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)合成，而且還構(gòu)建了新的HOIPs數(shù)據(jù)庫(kù)，因此有利于將來的功能材料設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)鏈接：

Global discovery of stable and non-toxic hybrid organic-inorganic perovskites for photovoltaic systems by combining machine learning method with first principle calculations (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104070)

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