近日，微电子学院麦耀华教授和郭飞研究员团队通过调控FAPbI3钙钛矿结晶过程，利用刮涂方法制备得到高效稳定的α-FAPbI3太阳电池，在小面积器件上取得了21.35%的光电转换效率，同时制备得到效率为17%的大面积组件（12.32 cm2）。相关成果以“Reducing Energy Barrier of d-to-α Phase Transition for Printed Formamidinium Lead Iodide Photovoltaic Devices”为题发表在能源材料权威杂志《Nano Energy》上，暨南大学许振华博士后为该论文的第一作者，郭飞研究员和麦耀华教授为文章的共同通讯作者。
带隙较窄的Alpha相FAPbI3钙钛矿因其热稳定性和效率方面的优势，受到了国内外研究者们的广泛关注。然而，α-FAPbI3的结晶温度较高并且在室温下容易自发转变为delta相从而失去光伏特性。
在该工作中，团队通过引入质子化氮甲基吡咯烷酮（NMPH+）来调节钙钛矿活性层薄膜的结晶过程（图1）。作者首先利用XRD揭示了FAPbI3钙钛矿结晶过程中NMPH+的调节作用，发现FAPbI3 相变温度由87 ℃降至70 ℃；同时相变能量势垒由59.63 kJ/mol降至43.59 kJ/mol。这些研究结果表明，NMPH+对结晶过程有显著调节作用，大幅降低了FAPbI3的相变能量势垒，促进了高质量的钙钛矿活性层的结晶。
图1alpha-FAPbI3结晶过程示意图：(a), (b), (c), 和(d) 不同添加剂对应的钙钛矿单晶图。(e) 钙钛矿结晶过程中的相变：面面相连的delta相-点点相连的delta相-阳离子缺位alpha相-纯alpha相。
作者进一步通过培养钙钛矿单晶，揭示钙钛矿结晶过程中的精细相变过程。结果表明，在FAPbI3的相变过程中，由于甲脒阳离子尺寸FA大于甲胺阳离子MA，在FAPbI3相变中会自发排出部分FA，形成阳离子空位。经过进一步退火，FA阳离子重新填满空位，最终形成纯alpha-FAPbI3钙钛矿活性层。利用FAPbI3钙钛矿这一特性，团队通过引入微量大阳离子NMPH+来调控结晶过程，最终刮涂制备得到了高质量钙钛矿薄膜，并进行了小面积器件和大面积组件制备（图2）。
图2（a）大面积模组器件示意图和（b）相应的刻蚀图案；（c）12.32 cm2的的器件性能；（d）55.44 cm2的的器件性能。
该研究得到国家自然科学基金，广东省自然科学基金以及中央高校基本科研专项资金项目的支持。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521009095