第一作者：王 勇
通讯作者：赵一新 教授
第一单位：上海交通大学
研究亮点
1. 通过构筑表面单分子层有机阳离子提高全无机CsPbI3的相稳定性和光伏性能
2. 揭示了对于CsPbI3钙钛矿在表面处理化学过程中，有机阳离子并不能与Cs离子发生离子交换形成2D/3D的混合钙钛矿
3. 验证了全无机钙钛矿材料具有优异的组分化学稳定性，预示了全无机钙钛矿优异的应用前景。
有机无机杂化钙钛矿材料凭借其低廉的制造成本，优异的光电转换效率成为近来光电转换领域的新星其器件认证效率已经达到了22.7%，展现出了巨大的商业化前景。在钙钛矿太阳能电池商业化发展进程中，钙钛矿材料的本征稳定性成为其能否商业化关键因素。有机-无机杂化钙钛矿中的有机组分在热力学上不稳定，光照和加热条件都会诱导有机组分缓慢挥发从而导致钙钛矿吸光层降解失效。相比之下，全无机钙钛矿能够避免有机组分的挥发进而有望从根本上解决组分稳定性问题。在全无机家族中，CsPbI3全无机钙钛矿材料有着与晶硅相匹配的带隙使其成为叠层电池的理想选择。但是，α-CsPbI3由于自身结构限制使其在常温下存在相稳定性较差的固有问题，极大限制了其应用。
近期，上海交通大学赵一新团队报道了构筑表面单分子层有机阳离子提高全无机CsPbI3的相稳定性的策略，解决了这一长期困扰全无机钙钛矿研究领域的关键难题。
针对全无机CsPbI3相稳定性问题，赵一新教授团队先前通过在钙钛矿体相中引入双胺阳离子2D组分构筑2D-3D混合钙钛矿策略成功提高了其稳定性与器件效率（Science Advances 2017, 3 (9), e1700841.）。在上述研究基础上，针对体相中的2D组分会影响载流子传输这一问题，赵一新研究团队基于内“病”外“治”的思路，通过引入有机阳离子对CsPbI3全无机钙钛矿进行表面处理，实现了在CsPbI3钙钛矿表面构筑单分子层的有机阳离子。该表面单分子层的阳离子在提高CsPbI3全无机钙钛矿的热、湿稳定性的同时，也有效钝化了钙钛矿的表面缺陷，显著提升了器件效率。最终基于上述策略组装的太阳能电池达到13.5%的稳定输出效率。除了获得更高的器件效率和稳定性外，该研究也揭示了对于CsPbI3全无机钙钛矿在表面处理化学过程中，有机阳离子并不能与Cs离子发生离子交换形成2D/3D的混合钙钛矿，这与传统的有机-无机杂化钙钛矿中快速的离子交换截然不同。进一步论证了全无机钙钛矿材料优异的组分化学稳定性，提升了其应用前景。
图1 PEAI处理对CsPbI3薄膜结构和形貌的影响：（A）薄膜沉积以及PEAI对CsPbI3薄膜的处理过程；（B）CsPbI3, 2 PEAI- CsPbI3, 10 PEAI- CsPbI3, 10 PEAI-CsPbI3 经过IPA清洗过后的薄膜以及PEAI粉末, PEA2PbI4薄膜的XRD图谱对比；（C）CsPbI3, 2 PEAI- CsPbI3, 10 PEAI- CsPbI3以及10 PEAI-CsPbI3 经过IPA清洗过后的薄膜紫外-可见吸收谱对比；（D）CsPbI3, 2 PEAI- CsPbI3, 10 PEAI- CsPbI3以及10 PEAI-CsPbI3 经过IPA清洗过后的薄膜AFM图。
图2 （A）FA0.9Cs0.1PbI3和CsPbI3 薄膜经过PEAI溶液浸泡后薄膜的XRD图谱对比；（B）CsPbI3, 2 PEAI-CsPbI3以及PEAI的XPS图谱对比；（C）CsPbI3薄膜以及x PEAI-CsPbI3薄膜经过IPA清洗过后的SEM图。
图3 表面单分子层阳离子对CsPbI3薄膜稳定性提升机制研究：（A）表层阳离子对钙钛矿薄膜表面结构的影响；CsPbI3和PEA+-CsPbI3薄膜暴露在湿度为85%-90%的室温环境0.5小时后的紫外-可见吸收谱（B）和XRD图谱（C）的对比
图 4 基于CsPbI3和PEA+-CsPbI3薄膜的钙钛矿太阳能电池性能对比：CsPbI3和PEA+-CsPbI3型钙钛矿电池J-V曲线（A）,EQE图谱（B）,瞬态光电流（C）和瞬态光电压（D）曲线对比；（E）PEA+-CsPbI3型钙钛矿电池在最大功率点的稳定输出结果；（F）CsPbI3和PEA+-CsPbI3型钙钛矿电池在湿度小于20%的干燥环境下效率衰减对比。
本工作的第一作者为上海交通大学环境科学与工程学院的博士后王勇，赵一新教授为唯一通讯作者。该工作得到国家自然基金（No. 21777096），霍英东基金（No. 151046），上海曙光人才计划（No. 17SG11）和中国博士后科学基金（No. 2017M621466）的支持。
论文链接：Wang, Y.; Zhang, T; Kan M.; Li, Y.; Wang, T. Zhao, Y.，Joule, 2018, doi.org/10.1016/j.joule.2018.06.013. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118302782.
