北京理工大学，重磅Science！

在钙钛矿太阳能电池中，阳离子和阴离子的混合物可用于调节带隙并提高稳定性，但这些混合物容易产生不必要的偏析，从而降低性能，从而限制了器件的使用寿命。

北京理工大学材料学院陈棋教授等人采用谢林隔离模型来研究单个阳离子的迁移，发现最初的薄膜不均匀性加速了材料的降解。作者通过添加硒吩制备了钙钛矿薄膜（FA_1-xCs_xPbI₃；其中FA是甲酰胺），从而使得阳离子分布均匀，在材料加工和设备操作过程中延迟了阳离子聚集。由此产生的设备实现了更高的效率，并在太阳光照下的最大功率点下3190小时后保持了高于91%的初始效率。此外，还观察到使用初始均匀的FACsPb(Br_0.13I_0.87)₃吸收器的设备延长了运行寿命。

从而限制了器件的使用寿命。相关研究成果“Initializing film homogeneity to retard phase segregation for stable perovskite solar cells”为题发表在Science上。

卤化物钙钛矿材料具有无限的成分空间，几乎可以在整个区域中连续定制，具有可调电子和光学特性。尽管钙钛矿太阳能电池可以具有高功率转换效率（PCE），但其有限的器件寿命仍然是商业化的重大挑战。其中，混合阳离子和阴离子使晶体具有更合适的耐受系数，以提高结构稳定性和额外的功能，以及增强所得吸收剂薄膜中的化学稳定性。

然而，混合钙钛矿吸收体经常经历元素和相分离，这降低了器件效率和寿命。大多数混合钙钛矿相偏析的研究都集中在薄膜老化上，以了解阳离子和阴离子迁移，纳米级团簇的形成和发展，热力学驱动力及其对薄膜性能和器件性能的影响。有效的策略，如放松残余应变和结合低维钙钛矿可以抑制离子迁移（延缓相偏析）。然而，需要相关的指标来研究单个离子的原子聚集，以关联它们导致薄膜降解的集体行为。

本文改编了谢林隔离模型的物理模拟，该模型说明了在社会经济学和物理学的背景下，即使是低水平的个人偏好也会导致代理隔离。谢林模型由美国经济学家Thomas Schelling发明，描述的是同质性对于空间隔离的影响与作用，本文将钙钛矿中阳离子聚集的微观分析与对其相分离和薄膜降解的宏观观察联系起来。在仿真中，初始薄膜均匀性会影响阳离子聚集持续时间，从而影响器件寿命。

在这些发现的基础上，作者制备了同质的α相FA_1-xCs_xPbI₃（FA，甲脒），使得太阳能电池具有更高的效率和更长的使用寿命。此外，对于宽带隙FACsPb(Br_0.13I_0.87)₃，相应的设备在最大功率点（MPP）跟踪340小时后保留其初始PCE的>80%。表明该模型适用于混合卤化物钙钛矿等多种钙钛矿配方，证明了谢林模型对卤化物钙钛矿的通用性。

因此，谢林模型作为一个强大的工具，可以在原子尺度上与钙钛矿的理论分析相关联，以及对其相分离和薄膜降解的宏观观测。从仿真和实验结果中，发现初始薄膜均匀性在元素分布方面对薄膜和器件稳定性有实质性影响。通过使用硒酚定制前驱体，受益于均质薄膜，开发了基于混合钙钛矿的高性能器件，即使在高温下也能在MPP测试中实现长期稳定性。

图1. 二元钙钛矿的降解机制

图2. 阳离子偏析动力学的谢林模型模拟

图3. 混合阳离子钙钛矿薄膜均匀性及其影响

图4. 混合卤化物钙钛矿薄膜均匀性及其影响

Yang Bai†, Zijian Huang†, Xiao Zhang†, Jiuzhou Lu†, Xiuxiu Niu†, Ziwen He, Cheng Zhu,

Mengqi Xiao, Qizhen Song, Xueyuan Wei, Chenyue Wang, Zhenhua Cui, Jing Dou, Yihua Chen,

Fengtao Pei, Huachao Zai, Wei Wang, Tinglu Song, Pengfei An, Jing Zhang, Juncai Dong,

Yiming Li, Jiangjian Shi, Haibo Jin, Pengwan Chen, Yuchao Sun, Yujing Li, Haining Chen,

Zhongming Wei, Huanping Zhou, Qi Chen*, Initializing film homogeneity to retard phase segregation for stable perovskite solar cells, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3148

原创文章，作者：华算老司机，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2022/11/19/19df1bd556/

北京理工大学，重磅Science！

相关推荐

发表回复