一、【科学背景】

甲脒碘化铅（FAPbI₃）是一种常用于光伏器件的钙钛矿材料，其中甲脒（FA）、甲基胺（MA）和铯离子（Cs⁺）是常用的A位阳离子。与MA相比，FA表现出更低的带隙（E_g）、改善的光电特性和更高的热稳定性。FA阳离子的较大尺寸导致FAPbI₃形成Pm3m立方钙钛矿晶格，而不是较低对称性的MAPbI₃四方晶格。FAPbI₃的较低E_g值源于Pb 6s-I 5p轨道的高度重叠和八面体倾斜的减少。FAPbI₃的晶格呈现多态网络结构，高对称结构源于随机分布的局部较低对称（扭曲）结构基元。FAPbI₃的α相（即黑相）在室温下的平均晶格参数值范围为6.352至6.365Å，其高对称性牺牲了相稳定性。通过在A位合金化FA与Cs、MA或两者，可以降低FAPbI₃的有效A位半径，提高室温下的相稳定性，但会导致带隙扩大。

二、【创新成果】

近日，美国莱斯大学的Aditya D. Mohite教授和法国国立应用科学院的Jacky Even教授通过在FAPbI3前体溶液中引入预合成的二维钙钛矿种子，在较低温度下实现黑相FAPbI₃的形成。在薄膜形成过程中，由于其较低的生成焓和在室温下的稳定性，2D钙钛矿首先成核，然后在2D结构上形成3D钙钛矿，从而实现了在2D相上的优先生长3D钙钛矿。最终得到的FAPbI₃薄膜表现出较低的能隙（E_g）以及在恶劣条件下的优异的耐久性，实现了在0.5cm²器件面积上24.1%的光电转换效率。这一研究成果验证了利用二维钙钛矿模板生长3D钙钛矿的新设计策略，为未来的研究和应用提供了新的可能性。该项工作在Science上发表，题为“Two-dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells”。

图1 FAPbI₃二维钙钛矿晶格模板的设计原理和概念验证 @2024 AAAS

图2 二维稳定的FAPbI₃成膜机制 @2024 AAAS

图3 相稳定的FAPbI₃薄膜的非原位结构表征 @2024 AAAS

图4 相稳定的FAPbI₃薄膜的光学特性 @2024 AAAS

图5 2D稳定的FAPbI₃器件性能 @2024 AAAS

三、【科学启迪】

该成果实现了一种新颖的方法，在比δ-FAPbI₃到α-FAPbI₃转变温度低得多的条件下实现FAPbI₃的高度稳定的黑相。通过详细的表征，包括相关的WAXS、光吸收和光致发光，表明所得的黑相FAPbI₃表现出与底层二维钙钛矿的d(011)面间距相对应的晶格常数。最终得到的FAPbI₃薄膜表现出1.48 eV的能隙，并在恶劣条件下表现出异常的耐久性，在0.5 cm²器件面积上以p-i-n器件结构实现了惊人的24.1%的光电转换效率。这些结果证明了一种利用2D钙钛矿生长3D钙钛矿的新设计策略。预计这种策略可能不仅限于钙钛矿，还可能利用具有可比较晶格常数的其他分子和有机系统来生产外延动力学稳定的材料。
原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6993