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‘鈣幫’風(fēng)云

當(dāng)今‘鈣幫’，單結(jié)鈣鈦礦電池最高效率大長老是韓國UNIST的Seok教授，疊層鈣鈦礦電池最高效率長老是南大的譚海仁教授。但是，只談效率，不談長期輸出穩(wěn)定性就是耍流氓了。

目前，穩(wěn)定性是本次光明頂?shù)闹鞴?duì)象，各路長老在鈣鈦礦穩(wěn)定性領(lǐng)域大顯身手：2月發(fā)Science，3月發(fā)Nature。

2月，降龍十八掌：用十八個(gè)碳的分子，提升穩(wěn)定性發(fā)Science。

3月，五行八卦掌：用八個(gè)碳的分子，提升穩(wěn)定性發(fā)Nature。

五行八卦掌發(fā)Nature

2022年3月15日，UCLA的楊陽教授及合作者在Nature發(fā)表文章‘Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics’，他們?cè)阝}鈦礦表面精細(xì)調(diào)控異質(zhì)結(jié)離子組分，實(shí)現(xiàn)負(fù)功函數(shù)移動(dòng)（negative work function shift），避免了載流子積累且抑制了離子遷移，大幅度提升了器件穩(wěn)定性。

核心秘籍：用辛胺（OA）后處理。雖然不知道為何采用OA分子，但是效率大長老Seok是用過OA的（Energy & Environmental Science, 2018, 11(8): 2188-2197.），相比于PEA等大分子，OA在非極性溶劑中溶解度確實(shí)好些。

圖1. Seok的EES文章，不同大陽離子低維結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

必殺技：用甲苯磺酸鹽 [TsO]作為陰離子形成OATsO鹽

圖2. OATsO鹽反應(yīng)路徑

核心機(jī)理：改變界面能級(jí)，抑制載流子積累。相比于溴化物 [Br]、四氟硼酸鹽 [BF]、三氟乙酸鹽 [TFA]和碘酸鹽 [I]形成的OABr、OABF、OATFA、OAI，OATsO真空能級(jí)會(huì)向上移動(dòng)，可以減少載流子積累，進(jìn)而抑制離子遷移，提升穩(wěn)定性。（正好五種陰離子，不愧五行八卦掌）

圖3. OAI和OATsO后處理的能級(jí)示意圖

內(nèi)功深厚：深入表征和計(jì)算。Nature級(jí)別表征需要扎實(shí)的基本功，如下圖，每個(gè)表征都看起來很完美，這凸顯了團(tuán)隊(duì)實(shí)力。

圖4. UPS、KPFM、EDS、DFT圖

電池效果：2000小時(shí)的穩(wěn)定性

圖5. 器件性能圖

降龍十八掌發(fā)Science

2022年2月17日，阿卜杜拉國王科技大學(xué)Stefaan De Wolf教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表文章‘Damp heat–stable perovskite solar cells with tailored-dimensionality 2D/3D heterojunctions’，他們改變退火溫度來調(diào)控表面低維結(jié)構(gòu)的層數(shù)，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。

核心秘籍：用油胺（OLA）后處理。OLA是量子點(diǎn)合成常用的配體，但因?yàn)槠鋵?dǎo)電性較差，經(jīng)常是要經(jīng)過配體交換將其替換的。用在鈣鈦礦表面算是另辟蹊徑，變廢為寶了，符合‘鈣幫’氣質(zhì)。

必殺技：調(diào)控后處理退火溫度，改變表面低維結(jié)構(gòu)層數(shù)。如下圖6所示，改變溫度可以實(shí)現(xiàn)低維結(jié)構(gòu)的調(diào)控，后處理退火產(chǎn)生的層數(shù)比較單一（n=1），而不退火純?cè)谥辽賰煞N低維結(jié)構(gòu)（n=1, 2），類似3D-q2D-2D梯度結(jié)構(gòu)。

圖6. 不同表面示意圖及GIWAXS、TEM表征圖

核心機(jī)理：不退火的表面更加偏n型，促進(jìn)載流子向電子傳輸層傳輸。不退火的樣品費(fèi)米面距離價(jià)帶位置為1.11 eV，而退火后的費(fèi)米面距離價(jià)帶位置為0.95 eV，因此不退火的費(fèi)米面更加靠近導(dǎo)帶，有利于載流子收集和傳輸。

圖7 不同表面熒光圖和能級(jí)圖

內(nèi)功深厚：深入表征和計(jì)算

圖8. DFT、EDS圖

電池效果：根據(jù)IEC 61215：2016協(xié)議，成功通過“雙八五”測試（85 ^oC和 85%相對(duì)濕度的條件下）。

小結(jié)

武林秘籍有了，內(nèi)功也得深厚——性能做的好，表征和計(jì)算也得好。

內(nèi)力不深厚，可以快速補(bǔ)救：灌頂大法好，表征和計(jì)算直接外包給專業(yè)的‘微算云平臺(tái)’和‘測試云平臺(tái)’，助力‘鈣幫’發(fā)展。

參考資料

1. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04604-5

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5784

原創(chuàng)文章，作者：v-suan，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/14/0b0bfaf258/

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