第一作者：卫东，马福生（共同一作）
通讯作者：李美成（通讯作者），乔娟（共同通讯作者）
第一单位：华北电力大学
研究亮点
1. 研究发现芳香类π体分子与钙钛矿有机阳离子间具有强相互作用，采用这种cation-π相互作用可以有效抑制钙钛矿薄膜中有机阳离子的迁移，大大提高钙钛矿薄膜及器件的稳定性。
2. 采用TOF-SIMS方法直观研究了钙钛矿中有机离子及卤素离子在钙钛矿器件各层间的迁移情况，并直接证明了芳香类π体分子对于离子迁移的有效限制作用。
3. 利用这种方法制备出认证效率达到20.8%，工作30天几乎无衰减的高效稳定钙钛矿太阳电池。
有机无机杂化钙钛矿太阳电池发展迅速，最高效率不断被刷新。但钙钛矿材料本身存在的不稳定性，严重影响了钙钛矿太阳电池的商业化发展。大量研究表明，钙钛矿材料中离子迁移是造成钙钛矿材料不稳定的主要因素之一。在钙钛矿薄膜制备过程中，热处理工艺会造成有机阳离子大量损失，在钙钛矿薄膜中留下许多原生缺陷和空位，从而大大加速了薄膜中的离子迁移。此外，在钙钛矿太阳电池处于工作状态时，由于光照和偏压影响，钙钛矿材料中有机阳离子和卤素离子会通过多晶薄膜中的缺陷和晶界实现大范围迁移。这种大规模离子迁移在钙钛矿薄膜内部会再次产生大量缺陷，形成复合中心捕获光生载流子，影响钙钛矿器件性能；同时会破坏钙钛矿电池各层之间的界面，造成载流子传输受阻，大幅降低钙钛矿电池输出功率稳定性。因此，找出一种有效途径能从根源解决钙钛矿薄膜中离子迁移问题是提升电池性能和稳定性的关键问题，但目前鲜有相关研究工作。
华北电力大学李美成教授课题组和清华大学乔娟老师研究发现芳香类π体分子与钙钛矿材料中有机阳离子有强相互作用，可以有效抑制钙钛矿薄膜中离子迁移现象。通过在钙钛矿薄膜中引入这种超分子cation-π相互作用，实现了对钙钛矿有机阳离子的束缚，从根源上减少了离子迁移的通道，得到了高效稳定的钙钛矿薄膜及电池器件。
采用DFT计算发现芳香类π体红荧烯分子对钙钛矿中有机阳离子的束缚能大于离子迁移活化能，可以有效束缚有机基团防止其迁移或损失。基于这个计算结果，在钙钛矿成膜过程中，用包含红荧烯分子的氯苯作为反溶剂，将红荧烯分子引入到钙钛矿薄膜中，利用红荧烯与钙钛矿间cation-π的相互作用减少有机离子在薄膜加热过程中的损失，从而降低了制备出的钙钛矿薄膜缺陷态浓度，得到了高质量钙钛矿薄膜。
利用XPS及DLTS对掺入和未掺入红荧烯的钙钛矿薄膜进行表征，发现掺入红荧烯的钙钛矿薄膜内部缺陷态更少，红荧烯的掺入显著减少了钙钛矿薄膜中元素失配、基团空位等缺陷，提高了制备出的钙钛矿薄膜的质量。
为了考察在工作状态下超分子cation-π作用对于钙钛矿有机阳离子的束缚情况，我们设计了ITO/SnO2/perovskite with and without rubrene/ PbI2/Au的器件结构，将这些器件上加1V的偏压，在空气中90℃持续加热，并在氙灯光照下持续工作72小时，随后采用TOF-SIMS测试其中元素的分布。通过对比CN-离子的分布情况，可以看出即使在加偏压加热持续光照的条件下，红荧烯与钙钛矿之间的cation-π相互作用依然有效地束缚了钙钛矿中有机阳离子的移动，直接证实了芳香类π体对离子迁移的显著限制效果。
通过这种方法制造的钙钛矿太阳能电池（PSCs）获得了20.86％的最高效率，并取得20.80％的认证效率。另外，离子迁移的抑制同时减弱了器件的迟滞现象，实现了更稳定的功率输出。同时，通过cation-π相互作用成功地抑制了钙钛矿太阳电池在工作状态下不同层间离子的互扩散，保护了电池内部各个界面免受离子迁移造成的损害，提高了电池稳定性，所制备的太阳电池工作30天无明显衰减。
研究小结
该团队首次将超分子cation-π相互作用引入到有机无机杂化钙钛矿材料中，抑制钙钛矿材料中有机阳离子的迁移，制备出具有较少缺陷密度和更稳定晶体骨架的钙钛矿薄膜。不但，实现了高效钙钛矿太阳电池的制备；同时，通过cation-π相互作用成功地抑制了钙钛矿太阳电池在工作状态下不同层间离子的互扩散，提高了电池稳定性。在钙钛矿中引入cation-π相互作用为提高钙钛矿材料和器件的性能和长期稳定性提供了一种有效的途径，该方法也可以广泛应用于其他钙钛矿光电子器件中，例如发光二极管、光电探测器和激光器等。
参考文献信息
D. Wei, F. Ma, J. Qiao,* M Li,* et al. Ion-Migration Inhibition by the Cation–π Interaction in Perovskite Materials for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells, Adv. Mater. 2018, 1707583.
作者简介
李美成，男，二级教授、博士生导师。现任华北电力大学可再生能源学院科研副院长，新能源材料与光电技术研究中心主任。2004年至2006年期间在英国剑桥大学作皇家研究员。2006年，入选教育部“新世纪优秀人才”。2009年获黑龙江省第九届青年科技奖，并获黑龙江省自然科学一等奖（第一完成人）。2014年“科学中国人”年度人物，2016年获北京市科学技术奖，2017年入选北京市百名科技领军人才。2018年被推荐为享受国家政府特殊津贴人选。
华北电力大学李美成教授团队近年来在钙钛矿太阳电池领域具有广泛深入的研究，其中在高质量、大面积钙钛矿薄膜制备（Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2017, 163, 250; J. Phys. Chem. C 2015, 119, 22812），钙钛矿太阳电池新型结构设计（Sol. RRL 2017, 1600027; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 1406），钙钛矿功能层修饰（J. Mater. Chem. A 2016, 4, 6091），钙钛矿薄膜与器件衰减机理及稳定性（J. Mater. Chem. A 2016, 4, 1991; Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 093901）等领域取得了大量研究成果，发表了多篇高被引论文，引起了国内外同行的广泛关注。
