重要发现
河南大学李萌联合德国亥姆霍兹材料能源中心的Antonio Abate等科研人员借助上海光源衍射线站BL14B1的原位手套箱旋涂装置和原位变温装置观测到了钙钛矿薄膜的结晶动力学过程和在冷热疲劳状态下的原位应变，为钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了重要依据。
研究的重要性和影响力
这项突破性的工作，揭示了β-聚(1,1-二氟乙烯)可以有效改善钙钛矿薄膜结晶性能，有效钝化薄膜晶体表面界面缺陷，优化钙钛矿界面能级排列，促进载流子传输，从而提升p-i-n结构钙钛矿器件光电特性。更重要的是在变温环境中，β-聚(1,1-二氟乙烯)在晶界处的有序排列可以有效的缓冲变温过程中晶粒挤压引起的晶界形变并释放晶格应力，实现可恢复的晶体结构，从而显著提升器件的变温稳定性。相关研究成果以“Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations”为题，于2023年1月发表在Science上。
图1 |钙钛矿太阳能电池薄膜的结晶动力学过程
研究背景
有机金属卤化物钙钛矿基太阳能电池因其廉价的材料成本、易于制备大面积器件以及较高的光电转换效率等优点受到了广泛关注。在日夜温差巨大的实际应用环境中，温度变化会引发卤化物钙钛矿材料的相变和晶格应变，致使器件性能迅速衰减直至损坏，这是目前制约钙钛矿太阳能电池走向应用的关键挑战和难题。
主要研究内容
科研人员进行了基于同步辐射GIWAXS来表征薄膜形成的整个过程。比较GIWAXS图案（图2 A和B），在最初的60秒内，衍射信号的减弱表明DMSO-DMF-PbX2的初始中间相被抑制。这种效果可以归因于被长链β-pV2F分子隔离的中间相。在成膜过程中观察到的以q = ~10 nm-1沿（001）晶面为中心的散射特征表明，胶体已经凝固并转化为黑色相。β-pV2F促进了中间相向钙钛矿黑相的转化。快速的相转换与较低的形成能量有关，由于β-pV2F在DMSO和DMF挥发的过程中迅速聚集了分散的PbX2和有机盐。当结晶完成时（阶段t7），目标薄膜的信号比对照薄膜更强（图2c）。这一结果表明，形成的目标钙钛矿薄膜更加有序。因此，β-pV2F通过降低钙钛矿的形成能量来控制钙钛矿的结晶动力学，促进相变，并使晶体结构更加有序。
图2 |钙钛矿薄膜的结晶动力学
为了深入研究器件优异耐变温特性的来源，利用同步辐射GIWAXS进一步研究了变温过程中β-pV2F对钙钛矿薄膜的形态和晶体结构的影响。如图3A，B所示，目标钙钛矿中温度诱导的薄膜降解受到了抑制，同时变温过程中晶粒挤压引起的晶界形变也受到抑制，目标钙钛矿结构稳定性显著提高。如图3C所示，钙钛矿应变随温度循环而产生变化，表明钙钛矿中的晶格参数发生变化；相比之下，目标钙钛矿在较窄的范围内（-0.06%至0.38%）表现出稳定的应变循环，这表明目标钙钛矿具有可恢复的晶体结构和可释放的晶格应力。
图3 |温度循环过程中钙钛矿结构演变
展望
与其他太阳能电池一样，商用钙钛矿太阳能电池不仅需要在阳光直射下产生的高温下保持运行，还需要承受全年温度变化造成的晶格应变。该工作首次探讨了钙钛矿太阳能电池在温度疲劳下的晶格应变，解释了其复杂的机制，有效促进了钙钛矿商业化应用。
联系人
衍射线站用户负责人：苏圳煌，suzh@sari.ac.cn, 15001875915
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Guixiang Li, Zhenhuang Su, Laura Canil1, Declan Hughes, Mahmoud H. Aldamasy, Janardan Dagar, Sergei Trofimov, Luyao Wang, Weiwei Zuo, José J. Jerónimo-Rendon,Mahdi Malekshahi Byranvand, Chenyue Wang, Rui Zhu, Zuhong Zhang, Feng Yang, Giuseppe Nasti, Boris Naydenov, Wing C. Tsoi, Zhe Li, Xingyu Gao, Zhaokui Wang, Yu Jia,Eva Unger, Michael Saliba, Meng Li, Antonio Abate, Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations. Science 379, 399–403 (2023)
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