复旦突破钙钛矿材料核心难题，制备出高效稳定太阳能电池

在短短十年内，基于金属卤化物钙钛矿的太阳能电池功率转换效率就从起初的3.8%上升到25.2%，超过其他类型的薄膜太阳能电池。

然而，要论实际应用，该类材料的热稳定性差是个核心难题。

近日，复旦大学信息科学与工程学院詹义强、郑立荣和瑞士洛桑联邦理工大学(EPFL)合作实现了一种室温稳定的钙钛矿材料，并且制备出了光电转换效率超过23%的高效稳定太阳能电池。

相关论文于10月2日发表在世界顶级学术期刊《科学》(Science)上，题为《气氛辅助制备高效高稳定黑相甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池》(Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells)。

钙钛矿是指一类分子通式为ABX3的晶体，通常为立方体或八面体结构。钙钛矿型金属卤化物已经在太阳能光伏电池、发光二极管(LED)、激光器和光电探测器等研究领域崭露头角。其中，α黑相甲脒铅碘(FAPbI3)钙钛矿具有相对良好的热稳定性和接近理想带隙等特点，被视作离实用最近的“候选人”。

然而， FAPbI3在150°C以下会“翻脸”，从光活性的黑相(a相)转变成非光活性的黄相(d相)，造成材料降解及电池性能衰减。虽然通过掺杂混合等方式可以得到室温稳定的a-FAPbI3薄膜，但是在实际工作条件下，材料会出现相分离以及吸收谱蓝移等问题。

为了解决获得稳定的纯a-FAPbI3薄膜这一国际难题，复旦和瑞士这个联合团队深入研究FAPbI3的相变机理，创新性地开发了一种基于硫氰酸甲铵(MASCN)蒸汽或硫氰酸甲脒(FASCN)蒸汽的气相辅助生长技术。该技术能在较低退火温度下(100°C)将FAPbI3从黄相完全转化为黑相，并保持长期稳定。

非光活性的黄相在MASCN蒸汽或FASCN蒸汽下转换为光活性的黑相原来，SCN-离子会优先吸附于黄相FAPbI3表面，由于Pb2+与S之间存在强亲和力作用，SCN-离子取代了与Pb2+成键的I离子，将d相FAPbI3面共享八面体结构的顶层瓦解，自上而下，将黄相FAPbI3完全转化为黑相FAPbI3。

即使经过500小时的85°C退火实验测试中，基于新技术制作的a-FAPbI3薄膜保持纯黑相，呈现出优秀的热稳定性。

研究团队进一步用低缺陷密度的a-FAPbI3薄膜制作出钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率可超过23%，具备低开路(330 mV)电压损失、低电致发光启动电压(0.75V)的特性，且在最大功率点追踪500小时后，依然保持原有性能的90%以上。

复旦大学新闻网报道称，该项突破为钙钛矿材料在高效轻质光伏电池、新型LED和其它光电器件系统等应用奠定了基础，对太阳能清洁能源的泛在利用、新型柔性大面积光电器件与系统、以及智能机器人自主供电等具有重要意义。