長期穩(wěn)定性是決定鈣鈦礦太陽能電池能否順利推進產業(yè)化進程的重要指標，其中鈣鈦礦材料中的不可逆離子遷移行為嚴重制約著器件壽命。北京大學材料科學與工程學院周歡萍教授課題組提出一種新的策略，即在鈣鈦礦層的界面處引入多碘化物超分子緩沖層，實現了抑制鈣鈦礦離子遷移和促進缺陷自修復的雙重作用，從而大大提升了電池的長期穩(wěn)定性。相關研究于2023年9月21日在國際頂級學術期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）上發(fā)表，題為：“Improved fatigue behaviour of perovskitesolar cells with an interfacialstarch-polyiodide buffer layer” B/JMH 1r  
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在眾多清潔可再生能源中，太陽能因其儲量大、分布廣、清潔可靠等特點得到了廣泛的青睞。利用光生伏特效應，太陽能電池將光能直接轉化為電能是利用太陽能最為有效的手段之一。器件壽命和光電轉換效率是決定太陽能電池最終發(fā)電成本的兩個關鍵因素。在第三代光伏半導體材料中，有機-無機雜化鈣鈦礦因其優(yōu)異的光電性質和低成本制備工藝而受到廣泛關注，相應的太陽能電池光電轉換效率從2009年的3.8%快速增長至近年的26.1%。相比于單晶硅，鈣鈦礦材料還具有柔性、帶隙可調和自愈性等獨特優(yōu)勢，在疊層太陽能電池、光伏建筑一體化（BIPV）和太空光伏等應用場景都展現出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?span style="display:none"> 3X`N~_+  
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然而，鈣鈦礦電池的產業(yè)化進程受到材料不穩(wěn)定性的限制。相比于傳統無機光伏材料，如晶體硅（IV）和銅銦鎵硒（I-III-VI）、有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料中的組分，如I–、FA⁺和Pb²⁺都是尺寸大、帶電荷量少的離子，其晶格較軟、缺陷密度較高，容易發(fā)生離子遷移行為，并且加熱、光照和電場作用會顯著加劇離子遷移的發(fā)生，從而導致器件的不穩(wěn)定表現。特別地，在白天/黑夜交替循環(huán)的真實工況下，有大量研究表明鈣鈦礦太陽能電池會出現“疲勞”特性，即器件性能隨循環(huán)增加不斷衰減，而恢復能力逐漸減弱。迄今為止，對鈣鈦礦材料疲勞退化過程中的亞穩(wěn)態(tài)動力學仍缺乏基本的認識，更缺乏有效的手段來起到抑制疲勞的效果。 mw\
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針對上述的本征性蛻化問題，周歡萍課題組提出了一種全新的策略，即在鈣鈦礦層的界面處引入多碘化物超分子（淀粉多碘化物）緩沖層。該緩沖層可在抑制鈣鈦礦中的離子遷移的同時促進鹵素空位缺陷的自修復，從而在器件運行期間，持續(xù)發(fā)揮作用，大大提升了電池的長期穩(wěn)定性。改性后的鈣鈦礦太陽能電池表現出更好的耐用性，特別是光/暗循環(huán)運行下的疲勞特性得到明顯改善，器件在42個晝夜循環(huán)（12/12小時光/暗循環(huán)）老化后，保持了98%的初始功率，這是迄今為止報道中最好的模擬晝夜循環(huán)穩(wěn)定性之一。穩(wěn)定器件的光電轉化效率也大幅提升至超過24%，且電致發(fā)光量子效率超過12%。該方法揭示了超分子材料如何在動力學上調節(jié)鈣鈦礦和其他具有軟晶格的材料的亞穩(wěn)態(tài)行為，解決了鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池中限制其發(fā)展的一個重要的不穩(wěn)定性表現，可推廣至其他的鈣鈦礦光電器件，且該方法對于其他面臨類似問題的無機半導體器件也具有重要參考意義。 RAxp2uif  
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鈣鈦礦電池的性能及穩(wěn)定性：(a)鈣鈦礦電池的初始性能變化；(b)引入超分子緩沖層的鈣鈦礦電池最優(yōu)電池性能測試J-V曲線；(c)器件在最大功率點連續(xù)工作性能變化；(d)器件在晝夜循環(huán)運行條件下的功率輸出曲線(12 h/12 h)；(e)器件在選定運行周期內的性能變化；(f)器件在加速光暗老化測試中的功率輸出曲線(10 min/10 min) M&
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該論文的第一作者是周歡萍課題組2018級博士研究生張鈺。周歡萍教為唯一通訊作者。合作者還包括北京大學物理學院趙清課題組、北京理工大學陳棋課題組及武漢理工大學黃文超課題組等。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、高分子化學與物理教育部重點實驗室、先進電池材料理論與技術北京市重點實驗室、新基石科學基金會所設立的科學探索獎等的聯合資助。