开年1篇Science+3篇Nature子刊论文，钙钛材料仍是科研宠儿

目前，钙钛矿材料在科研界引起了一波研究热潮，有大量优秀的文献对其进行了报道，其应用领域也十分广泛，这种现象的原因主要有以下两点：1）钙钛矿材料在太阳能电池上性能中具有决定性的影响力；2）钙钛矿材料也被用于光电转化，电催化，LED等各种领域；近期，1篇Science，3篇Nature子刊均出现了关于钙钛矿的报道，灵元素（ https://www.0elem.com/ ）小编带你一起速览最新的优秀论文~

1.Nature：具有宽域温度的p-i-n钙钛矿太阳能电池

一般情况下，基于常规的n-i-p架构，单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）报告的最高功率转换效率（PCE）大于25%。然而，倒置p-i-n PSC具有几个优点，包括源自非掺杂空穴传输材料的低温加工性和长期操作稳定性。尽管如此，它们的PCE较低，这种较低的性能主要与非辐射复合损耗和电荷提取减少有关，这源于钙钛矿体相和界面接触中的高密度缺陷。对于实际应用，环境温度变化会限制PSC性能，钙钛矿会经历严重的离子迁移、相变和温度诱导应变，从而导致较低的PCE。因此，开发具有热循环稳定性的高效PSC对于推进其应用至关重要。在此，德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Antonio Abate教授，李萌博士和Luyao Wang（共同通讯作者）使用聚合物偶极子优化三元阳离子卤化物钙钛矿Cs 0.05 (FA 0.98 MA 0.02 ) 0.95 Pb(I 0.98 Br 0.02 )3薄膜的体相和表面。

其中，聚合物偶极子通过降低黑色光活性相的形成能促进了低缺陷晶膜的生长，钙钛矿表面偶极子的形成抑制了离子迁移，促进了界面电荷提取，同时增强了疏水性。实验结果表明，在9.6 mm²的有效面积上实现了24.2%的认证PCE，实验室记录的PCE在18 mm²以上为 24.6%，1cm²为23.1%。更加重要的是，高PCE在严重的热循环（120个循环，从-60到+80℃）下稳定性较高，证明了晶体结构对温度诱导应变的弹性。相关论文以“Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations”为题发表在Nature。

赫姆霍兹材料与能源中心博士生李桂香和中国科学院上海高等研究所苏圳煌博士为文章共同第一作者。

图1. 钙钛矿薄膜的工作机理及形貌表征

Li, G., Su Z.,Canil L. et al. Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations. Nat. (2023).

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2.Nature Nanotechnology：软晶格卤化铅钙钛矿中光载流子诱导的持久结构极化

卤化铅钙钛矿在各种光电子学中的成功应用，激发了人们对其基本光载流子动力学的极大兴趣。在此，美国加州大学洛杉矶分校 段镶锋 教授和加州大学圣克鲁兹分校 平远 教授（共同通讯作者）发现了卤化铅钙钛矿中光载流子诱导的持久性结构极化和局部铁电性。

在10K时薄膜单晶CsPbBr3的光导研究表明，其具有超过106s的超长光载流子寿命，显示出持久的持续光导。X射线衍射（XRD）研究表明，光载流子诱导的结构偏振的存在温度达到临界冻结温度。低温下的光电电容研究进一步证明了在增加照明下，从线性电介质到顺电和松弛铁电体的系统局部相变。同时，本文的理论研究强调了光载流子-声子耦合和大极化子形成在驱动局部弛豫铁电相变中的关键作用。研究结果表明，这种光载流子诱导的持续结构极化能够在低温下形成铁电纳米域，从而抑制载流子重构，并为探索有趣的载流子-声子相互作用和丰富的极化子光物理学提供了可能性。相关论文以“Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites”为题发表在Nature Nanotechnology。

图2. 传统和铁电大极化子的区别

Qian, Q., Wan, Z., Takenaka, H. et al. Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites. Nat. Nanotechnol. (2023).

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3.Nature Energy：用于地面和太空的钙钛矿太阳能阻挡层

近地空间的太阳能装机容量预计将在未来十年呈指数级增长，从目前的MWs级增长至GWs级。同时，随着太空互联网成为现实，SpaceX星链、亚马逊的Project Kuiper和英国政府的OneWeb等项目计划向近地轨道（LEO）发射总计10万颗卫星。

利用太空太阳能并将其发射到地球，通过在高椭圆轨道上安装太空太阳能电池来为电网供电的兴趣也在增加。因此，需要一种低成本的轻质太阳能技术，该技术能够抵御包括辐射、热循环、原子氧和高真空在内的挑战，金属卤化物钙钛矿是一种潜在的下一代空间光伏（PV）技术。在此，美国国家可再生能源实验室 Joseph M. Luther 教授和 Ahmad R. Kirmani 教授（共同通讯作者）介绍了一种用于钙钛矿太阳能电池在工业上可行的金属氧化物阻挡层技术，同时选择了氧化硅（SiO）来证明这一概念，其成本低且易于通过热蒸发沉积。质子-钙钛矿相互作用的理论模拟表明，最佳厚度为1μm，以完全阻断~0.05 MeV能量范围内最具破坏性的低能质子。

研究表明，这种低能量范围内的质子在空间中含量高，可以在整个微米厚的钙钛矿器件中相互作用。实验结果表明，SiOx被发现可以提高辐射耐受性，使得太阳能电池暴露在1015cm-2和0.05 MeV质子的通量下没有受到伤害。此外，SiO还发现可以通过抑制照射时挥发性化学物质的渗出，来保护太阳能电池免受穿透屏障层的高能量质子和α粒子的影响。SiOx暴露在紫外线臭氧（UVO）处理期间，从而将电池封顶到原子氧上，使得初始功率转换效率（PCE）没有变化。

有趣的是，还发现SiOx屏障能够提高太阳能电池对陆地压力源（水分和极性溶剂）的弹性，其用途比最初设想的要广泛。与传统的玻璃封装胶相比，氧化物阻挡技术使太阳能电池阵列重量减轻了99%，将太阳能电池的比功率从134 W kg-1提高到277 W kg-1，将封装剂成本降低了99.97%，并将有利于钙钛矿光伏的空间和地面同时使用。相关论文以“Metal oxide barrier layers for terrestrial and space perovskite photovoltaics”为题发表在Nature Energy。

图3. SiO x 作为一种辐射屏障

Kirmani, A.R., Ostrowski, D.P., VanSant, K.T. et al. Metal oxide barrier layers for terrestrial and space perovskite photovoltaics. Nat Energy (2023).

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4.Nature Materials：混合金属卤化物钙钛矿半导体中的电荷传输

金属卤化物钙钛矿已成为过去十年中最令人兴奋的新兴半导体技术之一，光伏功率转换效率从2009年的3.8%到今天的 25.7%。光伏领域前所未有的发展也体现在其他新兴应用中，包括发光二极管、激光器、光电探测器和辐射探测器。由于室温附近的不良离子迁移效应和偶极紊乱不稳定性，特别是在甲基铵和铅基高性能三维钙钛矿中普遍存在，因此研究三维卤化铅钙钛矿固有的场驱动电荷传输行为在很大程度上仍然具有挑战性。在此，印度国家科学教育研究所Satyaprasad P. Senanayak教授和英国剑桥大学卡文迪许实验室Henning Sirringhaus教授，Samuel D. Stranks教授（共同通讯作者）通过探索混合甲酰胺-铯（FA-Cs）金属卤化物钙钛矿中的Pb-Sn合金化来应对这些挑战，这些器件表现出近乎理想的场效应晶体管（FET）性能和可调的p型迁移率，从而能够探测这类钙钛矿中固有的电荷传输机制。对于最佳的混合成分Cs 0.15 FA 0.85 Pb 0.5 Sn 0.5 I 3 ，作者在室温下实现了5.4 cm 2 V-1s-1 的高空穴迁移率，这也是三维钙钛矿薄膜FET中报道的最高的p型场效应迁移率之一。

此外，通过结合与温度相关的输运测量和偏置下的光致发光（PL）显微镜，证明了添加Sn抑制的离子迁移，并将这些发现与混合金属基钙钛矿器件的高迁移率和操作稳定性相关联。与纯Sn钙钛矿相比，其表现出更高的环境稳定性，并且正在积极开发用于光电应用，包括全钙钛矿串联太阳能电池和近红外LED。

相关论文以“Charge transport in mixed metal halide perovskite semiconductors”为题发表在 Nature Materials 。

图4. 钙钛矿中离子的横向迁移 灵元素（ https://www.0elem.com/ ）