精彩绝伦！‘钙帮’围攻光明顶：五行八卦掌发Nature，降龙十八掌发Science！

2023年10月14日下午2:20 • 顶刊解读

‘钙帮’风云

当今‘钙帮’，单结钙钛矿电池最高效率大长老是韩国UNIST的Seok教授，叠层钙钛矿电池最高效率长老是南大的谭海仁教授。但是，只谈效率，不谈长期输出稳定性就是耍流氓了。

精彩绝伦！‘钙帮’围攻光明顶：五行八卦掌发Nature，降龙十八掌发Science！

目前，稳定性是本次光明顶的主攻对象，各路长老在钙钛矿稳定性领域大显身手：2月发Science，3月发Nature。

2月，降龙十八掌：用十八个碳的分子，提升稳定性发Science。

3月，五行八卦掌：用八个碳的分子，提升稳定性发Nature。

五行八卦掌发Nature

2022年3月15日，UCLA的杨阳教授及合作者在Nature发表文章‘Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics’，他们在钙钛矿表面精细调控异质结离子组分，实现负功函数移动（negative work function shift），避免了载流子积累且抑制了离子迁移，大幅度提升了器件稳定性。

核心秘籍：用辛胺（OA）后处理。虽然不知道为何采用OA分子，但是效率大长老Seok是用过OA的（Energy & Environmental Science, 2018, 11(8): 2188-2197.），相比于PEA等大分子，OA在非极性溶剂中溶解度确实好些。

图1. Seok的EES文章，不同大阳离子低维结构对比图

必杀技：用甲苯磺酸盐 [TsO]作为阴离子形成OATsO盐

图2. OATsO盐反应路径

核心机理：改变界面能级，抑制载流子积累。相比于溴化物 [Br]、四氟硼酸盐 [BF]、三氟乙酸盐 [TFA]和碘酸盐 [I]形成的OABr、OABF、OATFA、OAI，OATsO真空能级会向上移动，可以减少载流子积累，进而抑制离子迁移，提升稳定性。（正好五种阴离子，不愧五行八卦掌）

图3. OAI和OATsO后处理的能级示意图

内功深厚：深入表征和计算。Nature级别表征需要扎实的基本功，如下图，每个表征都看起来很完美，这凸显了团队实力。

图4. UPS、KPFM、EDS、DFT图

电池效果：2000小时的稳定性

图5. 器件性能图

降龙十八掌发Science

2022年2月17日，阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf教授团队在Science上发表文章‘Damp heat–stable perovskite solar cells with tailored-dimensionality 2D/3D heterojunctions’，他们改变退火温度来调控表面低维结构的层数，实现了超级稳定的钙钛矿太阳能电池。

核心秘籍：用油胺（OLA）后处理。OLA是量子点合成常用的配体，但因为其导电性较差，经常是要经过配体交换将其替换的。用在钙钛矿表面算是另辟蹊径，变废为宝了，符合‘钙帮’气质。

必杀技：调控后处理退火温度，改变表面低维结构层数。如下图6所示，改变温度可以实现低维结构的调控，后处理退火产生的层数比较单一（n=1），而不退火纯在至少两种低维结构（n=1, 2），类似3D-q2D-2D梯度结构。

图6. 不同表面示意图及GIWAXS、TEM表征图

核心机理：不退火的表面更加偏n型，促进载流子向电子传输层传输。不退火的样品费米面距离价带位置为1.11 eV，而退火后的费米面距离价带位置为0.95 eV，因此不退火的费米面更加靠近导带，有利于载流子收集和传输。

图7 不同表面荧光图和能级图

内功深厚：深入表征和计算

图8. DFT、EDS图

电池效果：根据IEC 61215：2016协议，成功通过“双八五”测试（85 ^oC和 85%相对湿度的条件下）。

小结

武林秘籍有了，内功也得深厚——性能做的好，表征和计算也得好。

内力不深厚，可以快速补救：灌顶大法好，表征和计算直接外包给专业的‘微算云平台’和‘测试云平台’，助力‘钙帮’发展。

参考资料

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

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

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