编辑总结
基于黑相甲酰胺碘化铅（α-FAPbI3）的钙钛矿是光伏产业应用的理想的晶体，但水能引发光活性杂质相（如δ-FAPbI3）的形成。本研究展示了较大的氯化有机分子可以形成疏水性覆盖层，使钙钛矿在潮湿条件下结晶，同时保护生长中的晶体不受水分影响。具体而言，在20%到60%的相对湿度范围内制造的太阳能电池，在80%相对湿度下实现了23.4%的光电转换效率。未封装的器件在最大功率操作下，在潮湿空气中经过500小时照射后仍保留了96%的初始性能。——Phil Szuromi。
研究背景
随着钙钛矿太阳能电池（PSCs）研究的不断深入，黑相甲胺基铅碘（α-FAPbI3）钙钛矿因其1.5 eV的最佳带隙和高达26.1%的光电转换效率（PCE）而引起了广泛关注。然而，α-FAPbI3在环境湿度较高时的可重复性和稳定性问题仍然是制约其大规模应用的关键瓶颈。传统的溶液处理方法中使用的共溶剂体系（如DMF-DMSO）虽然能够促进高质量α-FAPbI3薄膜的形成，但在相对湿度（RH）超过60%时，这一体系的可重复性受到了严重挑战。具体来说，二甲基亚砜（DMSO）的吸湿性会促进中间复合物中的水分吸收，从而在潮湿空气中促使δ-FAPbI3杂质相的形成，导致光伏性能显著下降。α-FAPbI3钙钛矿的形成过程依赖于溶剂工程，通过挥发性溶剂（如DMF和乙腈）与高沸点溶剂（如DMSO和NMP）的组合，非挥发性溶剂分子可以与碘化铅（PbI2）形成关键的中间复合物，如DMSO-PbI2和NMP-PbI2-FAI（甲胺基碘化物），这些复合物通过路易斯酸碱相互作用，促进有序和均匀的结晶，从而有助于直接转化为α-FAPbI3。然而，这一过程通常需要在惰性气体或干燥空气环境中进行，以严格控制相对湿度，从而确保钙钛矿薄膜的高质量和高性能。在高湿度环境条件下（RH >60%），未密封的α-FAPbI3 PSCs的可重复性和稳定性仍然面临巨大挑战。 针对这一问题，北京大学肖立新教授，曲波副教授，瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和魏明杨博士等人合作在“Science”期刊上发表了题为“A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI3 perovskite in humid air”的最新文章。他们提出了一种创新的晶体覆盖层（CL）策略，利用氯化p自由基形成覆盖层，该层具有疏水和均匀特性，能够最大限度地减少水分渗透，同时保留中间薄膜中的DMSO-PbI2复合物。这种方法在相对湿度高达80%时仍能保持良好的光电转换效率（23.5%），并且在20%到60% RH范围内，PSCs的光电转换效率超过24.5%。此外，未封装的器件在环境条件下（RH为40%到60%）最大功率下运行时表现出500小时的操作稳定性。本研究不仅解决了高湿度环境下α-FAPbI3钙钛矿形成的可重复性和稳定性问题，还为钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了新的思路和方法。
研究亮点
实验首次在钙钛矿太阳能电池（PSCs）制备过程中引入氯化有机分子形成的覆盖层（CL），旨在解决湿度对黑相甲胺基铅碘（α-FAPbI3）钙钛矿形成的影响。通过这种方法，有效地阻挡了水分渗透，防止了光无活性δ-FAPbI3杂质相的形成，从而显著提高了在高湿度环境下的钙钛矿太阳能电池的可重复性和稳定性。
- 溶剂系统的优化：传统的DMF-DMSO共溶剂体系在高湿度条件下面临再现性问题。通过引入氯化有机分子覆盖层，实验保留了DMSO-PbI2复合物对晶体生长的调控作用，同时减少了水分对中间复合物的侵入。
- 性能提升：实验在相对湿度（RH）为20%到60%的范围内制备的钙钛矿太阳能电池（PSCs）达到了超过24.5%的光电转换效率（PCE），在RH为80%的条件下达到了23.5%。这些结果表明，在各种湿度条件下，PSCs性能稳定且高效。
- 长时间稳定性：在未封装的条件下，器件在环境RH为40%到60%的情况下进行500小时最大功率点运行，保持了96%的初始性能，展示了出色的长时间操作稳定性。
图文解读
总结展望
本研究揭示了在高湿度环境中制备高性能α-FAPbI3钙钛矿的重要性，强调了选择合适的溶剂体系及其对晶体生长和器件性能的深远影响。传统的DMF-DMSO共溶剂体系在湿度超过60%时面临可重复性挑战，而通过引入氯化有机分子作为覆盖层，有效地解决了水分渗透的问题。这一策略不仅保持了DMSO-PbI2复合物的稳定性，还促进了晶体的有序生长。本研究强调了材料表面状态对水分吸附的影响，揭示了表面空位在钙钛矿水合过程中的关键作用。这为进一步优化材料的微观结构和提高环境稳定性提供了新的思路。通过调控水分渗透与晶体生长之间的平衡，实现了在广泛湿度条件下的高效钙钛矿太阳能电池，为实际应用提供了可行的解决方案。 Liang Shu†, Xiaoming Shi, Xin Zhang, Ziqi Yang, Wei Li, Yunpeng Ma, Yi-Xuan Liu, Lisha Liu, Yue-Yu-Shan Cheng, Liyu Wei, Qian Li, Houbing Huang, Shujun Zhang, Jing-Feng Li, Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721
