时隔1年半，他再发Science！钙钛矿太阳能电池新进展！

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2024年6月13日，美国莱斯大学材料科学与纳米工程系Aditya D. Mohite教授团队在Science期刊发表题为“Two-dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells”的研究论文，团队成员Siraj Sidhik、Isaac Metcalf为论文共同第一作者，法国国家科学研究中心Jacky Even、Aditya D. Mohite教授为论文共同通讯作者。

该研究提出了一种设计策略，利用以甲脒（FA）为笼型阳离子的特定二维（2D）钙钛矿，通过晶格模板制备超稳定相纯甲脒碘化铅（FAPbI3）薄膜。当纯FAPbI3前驱体溶液与2D钙钛矿接触时，在100℃时优先形成黑色相，远低于FAPbI3标准退火温度150℃。X射线衍射和光学光谱分析表明，生成的FAPbI3薄膜会略微压缩，以获得2D钙钛矿种子的（011）面间距。在活性面积为0.5cm2的p-i-n结构中，2D模版的体相FAPbI3薄膜的效率高达24.1%，并且具有优异的耐久性，在85°C和最大功率点跟踪条件下使用1000小时后，仍能保持97%的初始效率。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6993

该研究通过将3D FAPbI3的（001）面间距模板化到合理选择的2D相的(011)面间距（每种结构各自的Pb-Pb原子间距），证明了在远低于δ-FAPbI3到α-FAPbI3转变温度的温度下，体相FAPbI3形成了高度稳定的黑色相。当FAPbI3前驱体滴投在Ruddlesden-Popper（RP）相2D钙钛矿A′2FAPb2I7（其中A′阳离子可以是丁基铵（BA）或戊基铵（PA））薄膜上时，FAPbI3在低至100°C的温度下转化为黑相FAPbI3，远低于无添加剂对照薄膜发生黄色到黑色相变的150°C温度。

通过使用相关广角X射线散射（WAXS）、光学吸光度和光致发光（PL）对薄膜形成的研究，推测所生成的黑相FAPbI3的晶格常数与底层2D钙钛矿的d（011）面间距相对应。还可以通过在FAPbI3前驱体溶液中加入预合成的2D钙钛矿粉末（0.5~1.0mol%)，将FAPbI3的2D模板稳定转化为可扩展的溶液处理方法。在异相3D-2D FA基薄膜中，相稳定的2D钙钛矿首先成核，因为它具有较低的生成焓，并且在RT下相稳定。2D结构提供了一个钙钛矿表面，3D钙钛矿可以通过扭曲形成，从而采用底层的2D晶格周期性，这使得3D钙钛矿在随后的薄膜退火过程中可以优先模板化在2D相上。所获得的FAPbI3体相薄膜的Eg值为1.48eV，在85°C和AM1.5G照明的ISOS-L-2苛刻条件下表现出卓越的耐久性，在0.5cm2器件面积上的p-i-n器件结构中，PCE为24.1%。研究人员认为，这些结果验证了使用2D钙钛矿模板生长3D钙钛矿的新设计策略，它们具有几乎相同的晶格常数。

图1. FAPbI3的2D钙钛矿晶格模板设计原理和概念验证

图2. 2D稳定FAPbI3成膜机理

图3. 相稳定FAPbI3薄膜的非原位结构表征

图4. 相稳定FAPbI3薄膜的光学表征

图5. 2D稳定FAPbI3器件性能

总之，该研究揭示了一种实现高度稳定的FAPbI3黑色相的新方法，即使温度远低于δ-FAPbI3到α-FAPbI3的转变温度。该方法涉及将3D FAPbI3的Pb-Pb原子间距模板化为精心选择的FA基2D钙钛矿的几乎相等的Pb-Pb间距。结合相关的WAXS、光学吸光度和PL进行的详细表征表明，生成的黑相FAPbI3的晶格常数与底层2D钙钛矿的d（011）面间距相对应。通过在FAPbI3前驱体溶液中引入预合成的2D钙钛矿种子，将这种模板化策略扩展到了可扩展的溶液处理方法。在薄膜形成过程中，相稳定的2D钙钛矿因其较低的生成焓和在RT下的稳定性而优先成核。2D结构作为种子，3D钙钛矿在其上采用底层2D晶格周期性，使得3D钙钛矿在随后的薄膜退火过程中优先模板化在2D相上。由此产生的体相FAPbI3薄膜显示出1.48eV的Eg，并在恶劣条件下表现出卓越的耐久性，在0.5cm2器件面积上的p-i-n器件架构中实现了24.1%的出色PCE。这些结果验证了使用2D钙钛矿模板生长3D钙钛矿的新设计策略，并将实现与光电器件相关的新物理行为、特性和功能。研究人员预计该策略可能会扩展到钙钛矿之外，潜在地利用其他具有类似晶格常数的分子和有机系统来生产外延动力学稳定的材料。

值得一提的是：2022年9月22日，美国莱斯大学材料科学与纳米工程系Aditya D. Mohite教授团队在Science期刊发表题为“Deterministic fabrication of 3D/2D perovskite bilayer stacks for durable and efficient solar cells”的研究论文，团队成员Siraj Sidhik为论文第一作者，Aditya D. Mohite教授为论文通讯作者。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7652

该研究通过溶剂工程对2D/3D钙钛矿异质结中2D钙钛矿的厚度、相纯度、n值都进行了调控，从而优化了器件稳定性及光电性能，实现了高效、稳定的钙钛矿太阳能电池器件。

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