版主信息与通信 2024-10-02

西电大郝跃院士团队常晶晶教授等在国际顶级期刊上发表重要科研成果

近日，常晶晶教授团队提出了一种在卤化物钙钛矿晶格中直接引入具有强电负性的氟离子，以抑制钙钛矿离子迁移，并稳定晶相的策略。该方法显著提升了钙钛矿光伏器件性能及稳定性。这一成果发表在《Angewandte Chemie International Edition》（影响因子：16.6）上，题为Inhibiting Ion Migration and Stabilizing Crystal‐Phase in Halide Perovskite via Directly Incorporated Fluoride Anion，文章的唯一通讯单位为西安电子科技大学，通讯作者是团队中的常晶晶教授及胡赵胜博士。

离子迁移以及较差的稳定性是导致常用钙钛矿器件性能退变，限制其实际应用的一大关键因素。当前，具有强电负性F−在钙钛矿薄膜表面、晶界或界面处修饰，以提升材料稳定性及器件性能成为研究热点。尽管此类修饰策略在提升钙钛矿材料性能方面展现出显著潜力，但在直接掺杂进入钙钛矿薄膜晶格中的研究方面，目前尚未有报道。为了通过掺杂调控钙钛矿半导体特性，探索其直接引入钙钛矿晶格具有重要意义。然而，氟化物相比其它卤化物具有更低溶解度，使其通过溶液法在晶格中引入F−非常具有挑战性。

作者在这研究中，发展了一类新型的可挥发增溶性配体-吡啶卤化物，用来辅助溶解PbF2，这一创新技术使得氟离子（F−）能够直接融入钙钛矿晶格中。研究结果发现由于F−与钙钛矿中常用的卤素离子（如I−和Br−）之间的离子半径差异较大，F−趋向于占据钙钛矿CsPbI2Br的间隙位置，而非形成八面体骨架结构，这一发现为F−的引入提供了新的途径。此外，该方法具有一定的普适性，不仅适用于全无机钙钛矿材料，还能应用于有机-无机杂化钙钛矿体系。这一成果不仅为钙钛矿材料的性能优化提供了新的策略，也为推动钙钛矿光电器件等应用领域的发展提供了可能，具有重要的科学与应用价值。

F−的强电负性显著增强了CsPbI2Br中离子间的结合能，有效抑制了钙钛矿材料内部缺陷的形成。值得注意的是，F−的引入并未在材料的能带隙内引入任何局部的浅或深能级缺陷态。微量的F−（0.2%）掺杂不仅能增大钙钛矿薄膜的晶粒尺寸，延长载流子寿命，改善表面疏水性，而且同时抑制了离子迁移和相分离现象，进一步优化了钙钛矿材料的电学性能和稳定性。其掺杂的钙钛矿太阳电池的性能和稳定性都得到了显著提升。在标准太阳光AM 1.5G条件下，CsPbI2Br器件效率达到了17.78%，相较于未处理的钙钛矿器件显著提高了22%。在室内光照条件下，F−诱导的缺陷抑制对器件性能提升更为显著，效率从30.43%提升至38.01%。该器件还展示出优异的稳定性，在∼20% RH储存（或连续光照）条件下，经过1000多个小时，仍能保持初始效率的98%（94%）。此外，F−也可以借助这种增溶性配体直接引入到有机-无机杂化钙钛矿晶格中，大大抑制了离子迁移并稳定了晶相，从而获得了高效稳定的两步法制备的FAPbI3器件，其效率达到了25.10%。这一成果标志着首次在一般钙钛矿薄膜晶格中实现F−的直接引入，为提升钙钛矿器件的性能与稳定性开辟了新的技术途径和方法。