近年来，钙钛矿太阳能电池的效率突飞猛进，目前已突破25%，这样优异的性能吸引了众多优秀科学家关注与研究，因而钙钛矿材料在能源，环保，材料等领域已成为研究热点。我们列举了2020年发表在Science和Nature上关于钙钛矿材料的研究成果，供大家一起交流学习。p.s.文末附有5篇关于钙钛矿的顶刊综述推文链接。
Nature 2篇
1、解决钙钛矿电池器件铅泄露问题
钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的高效、低成本的光伏技术，在走向商业化的过程中面临着障碍。目前，器件的稳定性已经得到了实质性的改善，但是关于铅泄露和毒性的潜在问题仍未得到深入研究。据报道，商用涂料中铅含量一般为0.007 g m-2，而在吸光层厚度约550 nm的典型铅基钙钛矿太阳能电池中，Pb的单位面积浓度约为0.75 g m-2，比目前含铅涂料浓度要高两个数量级。在建筑集成光伏电池中使用钙钛矿太阳能电池时，铅泄漏可能会对环境和公共健康带来潜在危险。这些都是钙钛矿太阳能电池走向商业化必须要解决的问题。
针对此，北伊利诺伊大学和NREL等机构的Tao Xu, Zhu Kai研究团队提出一种化学方法，可确保在设备严重损坏后，仍可以隔离96%以上的铅泄漏。具体做法是，在设备的前后两端都涂上一层吸铅材料。在前面的透明导电玻璃电极的一侧，使用了一种含有膦酸基团的透明吸铅分子膜（DMDP膜），其可与铅紧密结合。DMDP膜的厚度在0.7到6.89μm范围内都是高度透明的，而且DMDP膜不溶于水，但具有良好的透水性。当水渗入器件时，每个DMDP分子中的两个膦酸基团可以与铅牢固结合，有效地吸收水中的铅。在背面的金属电极一侧，在金属电极和标准光伏包装膜之间放置一种掺有铅螯合剂的聚合物膜（EDTMP–PEO膜）。两侧的吸铅膜在浸水时会膨胀以吸收铅，而不是溶解铅，从而保持结构的完整性，以便在器件损坏时易于收集铅。这有助于解决钙钛矿铅泄露的问题，拓宽钙钛矿光伏器件的应用前景。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2001-x
DOI: 10.1038/s41586-020-2001-x
2、应变工程稳定卤化物钙钛矿结构
卤化物钙钛矿材料具有优异的电子和光电特性，已在光伏器件应用中显示出巨大的前景。但是，目前最具有发展前景的FAPbI3成分钙钛矿面临着相稳定性差的问题，很容易在室温下形成非钙钛矿的六方相。虽然一些掺杂添加剂的手段已经被用于解决这个问题，但都会增加制备步骤，从而增大成本。而应变工程是一种强大的工具，可用来提高载流子迁移率，增强半导体器件的性能。尽管研究者已经做出了一些尝试，包括使用静水加压，电致伸缩，退火，范德华力，热膨胀失配和热诱导的基底相变等手段，以对钙钛矿卤化物施加应变，但由于缺乏合适的、晶格失配的外延衬底，通过化学外延对卤化钙钛矿施加可控的应变工程仍然是一个挑战。
针对此，加州大学圣地亚哥分校的Sheng Xu团队借用一种稳定的、晶格尺寸较小的钙钛矿作为生长衬底，利用应变工程的压缩应力，控制了基底上部卤化物钙钛矿单晶薄膜的外延生长。并且结合实验技术和理论计算方法研究了应变工程下得到的α-FAPbI3的相关特性。具体的，通过调整基底材料的成分以及晶格参数，将高达2.4％的压缩应变施加到外延α-FAPbI3薄膜上。相关结果表明，该应变有效地改变了钙钛矿晶体结构，减小了带隙并增加了α-FAPbI3的空穴迁移率。这主要是因为压缩应变下晶体电子结构发生了改变，应变导致空穴波函数震荡加剧，加快了电荷波的运动，从而电荷迁移率提高。由于基底钙钛矿与上部钙钛矿的晶格原子间的对齐，应变外延作用还使得α-FAPbI3保持在立方相，起到i显著的稳定作用。这项研究为发展更为稳定的钙钛矿材料提供了一个全新的思路。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1868-x
DOI: 10.1038/s41586-019-1868-x
Science 4篇
3、精确测量钙钛矿太阳能电池中的缺陷
钙钛矿太阳能电池内部的缺陷态会直接导致非辐射电荷重组，从而导致能量损失、影响器件性能。因此，了解缺陷态在空间和能量上的分布状态是充分理解钙钛矿材料和器件中电荷传输和复合的最基本要素之一。目前，热导纳光谱（TAS）、表面光电压（SPV）、阴极发光（CL）等表征手段已经被用于研究钙钛矿薄膜内部缺陷态的性质，但是这些技术都很难应用于完整的太阳能电池器件以测量内部缺陷的分布状态。深层瞬态光谱（DLTS）等深层缺陷表征方法需要在长时间外加偏压的条件下测量，而这会引起钙钛矿器件中离子迁移现象。
来自北卡罗来纳大学的黄劲松研究小组创新性地将一种基于电容测试的技术，驱动级电容分析（drive-level capacitance profiling），应用于钙钛矿太阳能电池领域，同时捕获到内部缺陷在空间（spatial）与能量空间（energetic）上的分布状态。对钙钛矿单晶和多晶薄膜的缺陷态都进行了详细测量，多角度验证了其测试的准确性，证实了缺陷钝化在提升器件性能上的重要作用，也明晰了表界面处是深能级缺陷存在的主要位置。这不仅提供了一种精确测量缺陷态性质的新手段，而且指明了未来钙钛矿太阳能电池的重要研究方向——界面钝化。
文章链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352
DOI: 10.1126/science.aba0893
4、Cl掺杂辅助制备宽带隙钙钛矿助力构筑高效叠层光伏器件
众所周知，高质量的钙钛矿薄膜是制备得到高性能器件的保证。在结构为ABX3的钙钛矿材料中，卤素（I/Br/Cl）在X位比例的调整使得带隙在1.6-3.06 eV可调，然而，也因此导致光致相分离、载流子输运长度短等问题。当Br含量大于20%时，光致相分离现象尤为严重，由此产生的富碘相会充当缺陷态，捕获电荷从而降低开路电压。利用Cs/DMA等阳离子进行A位调控可以限制混合卤素钙钛矿的Br含量，添加剂手段被用于钝化薄膜内部缺陷，二维钙钛矿也被沉积在三维钙钛矿表面，起到表面钝化的作用。但这些手段都没有从根本上解决开路电压损失与光稳定性差的问题。
科罗拉多大学和NREL的McGehee和徐集贤等研究者通过增加Br的含量来缩小晶格常数，从而将Cl成功掺杂入钙钛矿晶体结构当中，实现了三元卤素钙钛矿的制备，以及卤素均匀化分布，将薄膜内部光生载流子寿命提升2倍。基于这种宽带隙钙钛矿构建的glass/ITO/poly-TPD/PFN-Br/钙钛矿/LiF/C60/BCP/Ag的p-i-n结构的器件，开路电压与理论值相比只有0.45V的损失，实现了20.42%的光电转化效率。采用SnO2/ Zn:SnO2/ITO做顶电极构筑半透明器件，优化后的小面积（0.06cm2）器件实现了18.59%的光电转化效率，在1000h后仍保持了大于96%的初始性能；大面积（1.00cm2）的认证效率为目前世界最高值，可达16.90%。将半透明的钙钛矿太阳能电池底部的ITO/glass基底用覆盖有20 nm厚ITO复合层的正面抛光的硅异质结底电池所代替，开路电压达到1.886 V，短路电流密度为19.12 mA cm-2，填充因子为0.753，实现了27.13%的光电转化效率，这是目前文献中报道的最高值。基于组分工程制备得到的这种三元卤素钙钛矿，成功制备得到了高效叠层太阳能电池，显示出多结结构在未来太阳能电池领域的巨大潜力，有利于进一步提升太阳能电池效率。此外，在高注入电流密度下，这种三元卤素钙钛矿保持了稳定的电致发光，表明该材料也可用于LED等光电领域，推动了钙钛矿光伏器件的商业化进程。
文章链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097
DOI: 10.1126/science.aaz5074
5、阴离子调控宽带隙钙钛矿助力构筑高效叠层光伏器件
商业化钙钛矿光伏（PV）器件最有希望的策略之一是将钙钛矿顶部电池与硅底电池串联使用，以达到超出单结器件的Shockley-Queisser极限的超高效率。而要最大限度地提高钙钛矿/硅串联太阳能电池的功率转换效率（PCE），就需要制备高性能、稳定、宽带隙的钙钛矿顶电池。大多数研究钙钛矿/Si串联太阳能电池都采用钙钛矿薄膜，其常规带隙为1.5至1.6 eV，但串联配置顶部电池的理想带隙为约为1.67至1.75 eV。尽管某些已报道的钙钛矿/Si串联设备使用了宽带隙钙钛矿（接近1.7 eV），但报道的PCE仍小于25％。
来自首尔国立大学和NREL的Jin Young Kim，朱凯等研究工作者开发了一种稳定的钙钛矿太阳能电池，其带隙约为1.7 eV。在连续照明1000小时后，可保留其初始效率的20.7％的80％以上。其中，研究表明阴离子（SCN-）工程和苯乙铵（PEA）的二维（2D）添加剂对于控制结构至关重要。最后，单片宽间隙钙钛矿/硅串联太阳能电池获得26.7％的效率。
文章链接：
http://science.sciencemag.org/content/368/6487/155
DOI: 10.1126/science.aba3433
6、1-丁硫醇锚定钙钛矿助力构筑高效叠层光伏器件
将较小带隙的太阳能电池相互堆叠以形成双结膜，这就有可能突破光伏电池的单结Shockley-Queisser极限。钙钛矿薄膜制备技术的快速发展带来了钙钛矿单结电池的快速发展，目前效率已超过25％。但是，该工艺尚未能够与光伏行业相关的纹理化晶体硅太阳能电池进行单片集成。
针对此，多伦多大学Edward H. Sargent 和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf团队报道了将溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合的双叠层电池。为了克服微米级钙钛矿中电荷收集的问题，研究者将硅锥体底部的耗尽层宽度增加了三倍。此外，通过将一种自限钝化剂（1-丁硫醇）锚定在钙钛矿表面上，增加了扩散长度并进一步抑制了相分离现象。多种策略联合作用使钙钛矿硅串联太阳能电池的认证效率达到了25.7％。在85°C下进行400小时的热稳定性测试后以及在40°C下在最大功率点追踪测试400小时后，其性能仍可保持初始性能。
文章链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135
DOI: 10.1126/science.aaz3691