復旦大學信息科學與工程學院詹義強、鄭立榮和瑞士洛桑聯邦理工大學Anders Hagfeldt、Michael Graetzel團隊合作，成功通過一種氣相輔助生長方法實現了室溫穩定的α-FAPbI3（黑相甲脒鉛碘）鈣鈦礦材料，並且製備出了光電轉換效率大於23%的高效穩定太陽能電池。相關研究成果10月2日在線發表於《科學》。
金屬滷化物鈣鈦礦因其卓越的光電性能和低溫製備工藝得到了廣泛的關注，並被研製成太陽能光伏電池、發光二極體、雷射器和光電探測器等。在過去的10年內，基於鈣鈦礦的太陽能電池，其功率轉換效率也從起初的3.8%上升到近來的20%以上。
但此類材料的最大缺點就是熱穩定性差，嚴重製約了其實際應用。其中甲脒鉛碘鈣鈦礦(FAPbI3)因其良好的熱穩定性和接近理想帶隙等特點而備受矚目，被視為最有潛力走向實用的材料之一。然而研究發現FAPbI3在室溫下會從光活性的黑相（a相）轉變成非光活性的黃相（d相），進而造成材料降解及電池性能衰減。因此，如何獲得穩定的純a-FAPbI3薄膜成為了鈣鈦礦太陽能電池研究領域的一個國際難題。
研究人員深入研究FAPbI3的相變機理，創新性地開發了MASCN（硫氰酸甲基銨）氣相輔助生長技術。基於此項技術，能夠在較低退火溫度下（100°C）成功將FAPbI3從d相完全轉化為a相，並保持長期穩定。
同時，研究人員藉助分子動力學模擬，首次釐清了SCN-離子的作用機制：SCN-優先吸附於d相FAPbI3表面，由於Pb2+與S之間的強親和力作用，SCN-取代了與Pb2+成鍵的I￣離子，將d相FAPbI3面共享八面體結構的頂層瓦解，並過渡到a相FAPbI3的角共享結構。頂層結構的轉變形成模板化效應，自上而下，將d相FAPbI3完全轉化為a相FAPbI3。由於表面SCN-跟Pb2+之間的強親和力作用，形成了穩定的表面結構，約束了體a相FAPbI3。在500小時、85°C的加熱老化實驗測試中，該a-FAPbI3薄膜保持零衰減，呈現出卓越的熱穩定性。
合作團隊低溫製備的FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的效率超過23%，並在最大功率點追蹤500小時後，依然保持原有性能的90%以上，體現了其超高工作狀態穩定性。
此外，復旦團隊採用全低溫製備工藝近期還成功在PET基材上製備了效率高達20%的柔性太陽能電池，使得未來太陽能泛在利用成為可能，例如可以與建築物、汽車車身等一體化集成，實現無處不在的太陽能清潔高效利用，與飛艇囊體和智能昆蟲翅膀等柔性集成，實現飛行器和柔性智慧機器人等的輕質高效自主供電。
實驗測量表明，除了卓越的光伏性能，該材料也可以在低至0.75V的開啟電壓下實現電致發光，在未來大面積柔性顯示、照明和可穿戴電子等領域也具有應用潛力。
專家表示，這項突破性研究成果為鈣鈦礦材料在高效輕質光伏電池、新型LED和其它光電器件系統等應用奠定了基礎，對太陽能清潔能源的泛在利用、新型柔性大面積光電器件與系統、以及智慧機器人自主供電等具有重要意義。（來源：中國科學報 黃辛）
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb8985
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