有机-无机复合材料钙钛矿太阳能电池目前实现了惊人的电池效率（25.2 %），这和已经实现工业化的晶硅太阳能电池工作效率类似（Best Research-Cell Efficiency Chart, NREL Photovoltaic Research, Golden, CO 2019.）。钙钛矿材料的稳定性是限制钙钛矿太阳能电池工作的重要因素，特别是钙钛矿基太阳能电池在大气环境工作时，潮湿气氛、氧气、紫外光、电场都是钙钛矿电池工作中的重要影响因素。这种不稳定性是由钙钛矿材料的晶体结构导致的，比如八面体结构的[PbI₆]^4-以及过小的阳离子（甲胺、铯等），这种阴阳离子之间通过范德瓦尔斯作用力实现相互作用，导致降解温度非常低。此外，钙钛矿中的碘在工作状态中呈现电中性，导致其容易迁移，进而会形成空位缺陷结构。

为了解决这种问题，暨南大学的范建东和李闻哲等开发了一种一维钙钛矿，即PbI₂-联吡啶（II），并通过原位组装策略，通过借助链状结构的PbI₂-DMSO形成了一种一维@三维新型钙钛矿结构。这种1D@3D结构钙钛矿展现了非常高的稳定性，在潮湿气氛中的高电场中都能体现极高的稳定性。作者认为，这种稳定作用是由复合材料晶格适配性较好造成的，同时碘的迁移由于阻挡了离子迁移通道被抑制。

本文要点：

（1）创新的通过1D PbI₂-联吡啶钙钛矿通过形成界面异质结结构，这种1D/3D钙钛矿结构的太阳能电池展现了21.18 %效率。这种晶格高度匹配的结构能够在界面上阻挡离子迁移，进而阻碍钙钛矿薄膜中的离子迁移。

（2）1D结构钙钛矿的微结构和晶化动力学。

通过高分辨透射电子显微镜对复合结构钙钛矿界面结构进行了表征。此外通过UPS、UVVIS、迁移率研究了钙钛矿结构的性质。给出了1D@3D复合晶体结构形成的动力学过程。（首先，PbI₂和联吡啶溶解并生成1DPbI₂-BPy复合物；随后，DMSO和PbI₂结合，生成PbI₂-DMSO复合物；后来，PbI₂-DMSO结晶，PbI₂-BPy停止生长；最后，1D PbI₂-BPy和3D钙钛矿发生共聚合作用，生成复合结构的1D@3D复合钙钛矿）

（3）1D@3D界面异质结结构的晶格匹配。

通过CBM和VBM能带结构电荷分布示意图说明界面上的晶格参数类似。并通过HRTEM对界面配位结构进行了表征，发现界面上的原子成键情况。

（4）1D@3D材料原位稳定性表征。

通过低真空扫描电子显微镜（LoV-SEM）方法对钙钛矿材料在低压（100 Pa， RH %= 3 %）和不同电压条件的钙钛矿薄膜形貌变化进行表征。对加电压条件中的离子聚集区域进行了表征，并给出了合理的离子聚集机理。在环境湿度提高时，钙钛矿在加压后更容易分解。此外，对氧气、紫外光作用时的钙钛矿分解机理进行了研究。通过ToF-SIMS飞行质谱法对材料中各种离子（O^-，PbI₃^-，I^-）进行表征。通过UVVIS光谱吸收测试，加入不同量的1D PbI₂组分对吸光能力的影响，当1D 结构钙钛矿的含量提高，吸光边向红外区迁移。

（5）器件的工作效率表征。

基于FTO/TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au结构的太阳能器件工作效率达到21.18 %，这是目前最高工作效率的1D@3D结构钙钛矿太阳能器件。基于FTO/NiO_x/perovskite/PCBM/BCP/Ag的太阳能电池显示最高的工作效率为19.1 %。

稳定性测试显示：干燥空气气氛中，140 h工作后的电池保持100 %工作效率，但是对比太阳能电池的工作效率降低为60 %；RH=50 %潮湿气氛中，75 h工作后的电池保持90 %工作效率，对比太阳能电池的工作效率降低为0 %。此外，作者对极端条件工作长时间稳定性进行了测试（85 ^oC，85 %湿度）。

参考文献

Peng Liu; Yeming Xian; Weinan Yuan; Yi Long; Kun Liu; Naveed Ur Rahman; Wenzhe Li*; Jiandong Fan*

Lattice‐Matching Structurally‐Stable 1D@3D Perovskites toward Highly Efficient and Stable Solar Cells, Adv. Energy Mater. 2020, 1903654. DOI: 10.1002/aenm.201903654

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201903654

作者介绍

范建东于2003年在济南大学获材料学学士学位，2006年在山东大学获材料学硕士学位，随后留校工作。2009年至2013年在西班牙巴塞罗那大学攻读凝聚态物理博士学位。2013年至2015年分别在澳大利亚斯威本科技大学和英国牛津大学从事博士后研究工作。

研究方向：新能源材料设计、第一性原理计算及晶体学微结构；新型钙钛矿材料薄膜制备、单晶生长及其结晶动力学；基于新型钙钛矿材料的光伏、光电器件、光子探测器

主页：https://inet.jnu.edu.cn/81/20/c2106a98592/page.htm