25.94%认证稳定功率输出效率！南开大学，重磅Nature！

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSC）因其高效能和潜在低成本而成为了研究热点，尤其是α-FA1-xCsxPbI3材料的应用。然而，当前最有效的α-FA1-xCsxPbI3 PSCs通常需要氯化甲基铵（MACl）作为添加剂，这导致挥发性有机残留物的生成，从而限制了设备在高温下的稳定性。尽管未添加MACl的α-FA1-xCsxPbI3 PSCs的最高功率转化效率（PCE）仅约为24%，且尚未表现出稳定性优势，界面接触损失由于Cs+的积累问题进一步恶化了设备的性能。

成果简介

为了解决这一挑战，南开大学袁明鉴及多伦多大学Edward H. Sargent作为共同通讯，携手提出了一种普适性的结晶路径调控转换策略，通过醋酸盐表面配位实现高质量的α-FA1-xCsxPbI3薄膜的制备，无需MA添加剂。最终结果显示，所开发的α-FA1-xCsxPbI3 PSCs达到了25.94%的认证稳定功率输出效率和26.64%的反向扫描PCE，且在85°C、60%相对湿度下持续运行超过2,000小时后，设备仍保持超过95%的初始效率。以上成果在Nature期刊上发表了题为“High-efficiency and thermally stable FACsPbI3 perovskite photovoltaics”的最新论文。这一研究为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率提供了新的思路，具有重要的应用前景。

研究亮点

1. 实验首次提出来普适性的结晶路径调控转换策略，在不使用MACl添加剂的情况下成功制备高质量的α-FA1-xCsxPbI3薄膜，显著提高了薄膜的光电性能。

2. 通过原位GIWAXS分析，研究发现Cs+的积累导致了界面接触损失，这一问题直接影响了设备的性能和长期稳定性。

3. 本研究采用了密度泛函理论（DFT）计算，揭示了中间相辅助结晶路径的热力学优势，为优化α-FA1-xCsxPbI3的合成提供了理论支持。

4. 结果表明，α-FA1-xCsxPbI3 PSCs的认证稳定功率输出（SPO）效率达到25.94%，反向扫描的功率转化效率（PCE）为26.64%，显示出优异的光电性能。

5. 在高温（85°C）和高湿度（60%相对湿度）条件下，设备经过2,000小时的最大功率点跟踪后，仍保留超过95%的初始效率，展现了良好的操作稳定性。

图文导读

图1：顶面Cs+积累及其导致的波段失调。

图2. 结晶调控消除Cs+积累。

图3. 薄膜的光电性能和稳定性。

图4: α-FA1-xCsxPbI3 (x = 0.06) psc的器件性能和工作稳定性。

结论展望

本文的研究揭示了无MACl添加剂的α-FA1-xCsxPbI3钙钛矿太阳能电池在性能与稳定性方面的挑战。通过引入Cs+离子，作者发现了钙钛矿薄膜中存在Cs+聚集现象，导致了能带偏移并限制了器件的准费米能级分裂，进而引起接触损失。这一发现强调了在材料设计中考虑离子分布的重要性，为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了新思路。

此外，通过中间相辅助结晶路径的开发，作者能够显著降低Cs+的积累，从而改善器件性能。使用强表面结合的醋酸根阴离子，成功操控了中间相的形成能，使得高质量的α-FA1-xCsxPbI3薄膜得以制备。最终，所得到的太阳能电池展示了高达25.94%的认证稳定功率输出效率，并在高温高湿条件下保持良好的性能。

文献信息

Li, S., Jiang, Y., Xu, J. et al. High-efficiency and thermally stable FACsPbI3 perovskite photovoltaics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08103-7