李灿院士团队，2023年第二篇Nature子刊！

成果介绍

具有低非辐射复合是金属卤化物钙钛矿太阳能电池的基础。然而，金属卤化物钙钛矿材料中关于低非辐射复合的起源仍然没有得到很好的理解。

中国科学院大连化学物理研究所李灿院士等人研究发现，外加电场明显抑制了双晶-四方相甲基铵卤化铅(MAPbI_xCl_3-x)的非辐射复合，使开路电压从1.12 V显著提高到1.26 V。通过控制实验，排除了离子迁移和光照对开路电压增强的可能影响。微观和宏观表征表明，铁弹性晶格变形与抑制非辐射复合之间存在良好的相关性。计算结果表明，自稳定变形畴壁中存在晶格极化，表明晶格极化促进的电荷分离是抑制非辐射复合的原因。这项工作提供了对金属卤化物钙钛矿太阳能电池优异性能的理解。

相关工作以《Suppressing non-radiative recombination in metal halide perovskite solar cells by synergistic effect of ferroelasticity》为题在《Nature Communications》上发表论文。

值得注意的是，就在上周，李灿院士等人在《Nature Catalysis》上发表题为《Blocking the reverse reactions of overall water splitting on a Rh/GaN–ZnO photocatalyst modified with Al₂O₃》的研究论文。

详情可见：杀疯了！大连化物所，一天里连发Science和两篇Nature大子刊！

研究背景

金属卤化物钙钛矿(MHP)类太阳能电池因其光吸收系数高、载流子带状输运、载流子寿命长，特别是非辐射重组比例低，为下一代光伏技术开辟了一条新的道路。目前，抑制非辐射复合的理论和方法主要集中在消除复合途径(如缺陷钝化和界面工程)和构建梯度异质结(如p-n异质结)。这些策略旨在理解和解决器件尺度上的问题，因此MHP材料中低非辐射重组的起源仍然存在争议。

另一种解释是铁性诱导的晶格极化可能促进空间电荷分离，从而抑制非辐射复合。作为一个类比，据报道无机钙钛矿材料中的晶格极化有利于电荷分离，甚至使开路电压(V_oc)高于能带隙。看来，晶格极化在减少非辐射复合中起着至关重要的作用。研究MHP材料的晶格极化有两个关键因素：晶体结构的非中心对称单元和铁弹性。

图文介绍

图1. tT相的形成机理

本文通过精心控制MAPbI_xCl_3-x的结晶温度，以控制后退火冷却过程中的对称性击穿。通过一步旋转镀膜制备ITO/PTAA/MAPbI_xCl_3-x薄膜，然后样品在温度(T_a)下退火结晶，随后冷却到特定温度20℃。制备的MAPbI_xCl_3-x薄膜的温度从65℃到150℃不等。

本文采用刺激触发对称击穿法制备了具有孪生-四方相(tT相)结构的铁弹性MAPbI_xCl_3-x。相变示意图如图1所示，刺激触发的对称击穿由亚稳立方(mc)相的生成(蓝色箭头)和外部刺激(红色箭头)组成，这与传统的自发对称击穿(绿色箭头)不同。

结果表明，电活化能显著抑制tT相MAPbI_xCl_3-x的非辐射复合，显著提高太阳能电池的开路电压(Voc)。此外，微观和宏观表征结果一致地揭示了铁弹性对金属卤化物钙钛矿太阳能电池光伏性能的协同作用。

图2. tT相太阳能电池的光伏性能

图2a给出了tT相和t相器件的电流密度与电压(J-V)曲线。在连续电激活下，tT相器件的功率转换效率(PCE)得到了增强。相比之下，没有观察到t相器件的性能变化。tT相器件的活化具有很高的可重复性，如图2b所示，23个器件的平均PCE在激活后从17.16%提高到19.69%。PCE的增加主要来自开路电压(V_oc)和填充因子(FF)，连续电活化导致V_oc从1.12 V增加到1.26 V，填充因子(FF)从77%增加到81%。从图2c的左侧可以看出，在电极经过~16个循环后，材料达到了极限。

表1 t相和tT相MAPbI_xCl_3-x器件的光伏参数

图3. 电活化下tT相的铁弹性变形

本文通过刺激触发对称击穿的方法揭示了MAPbI_xCl_3-x孪生畴结构的形成。孪生畴本质上具有铁弹性，在微观和宏观尺度上的表征结果一致地揭示了电场作用下的不可逆结晶变形。同时发现电激活能显著抑制孪生畴的非辐射复合。铁弹性晶格变形与自稳定抑制非辐射复合之间的良好相关性表明铁弹性的协同效应是抑制非辐射复合的起源。

模拟结果进一步揭示了铁弹性协同效应的机理，即孪生畴畴壁附近由于非均匀应变而存在晶格极化，外加电场使其排列并进一步在整个畴内诱导铁电极化。由于铁弹性的存在，晶格结构在电场退出后仍能保持自稳定，从而使极化得以维持。

晶格极化促进了原子尺度上的电荷分离，抑制了tT相MAPbI_xCl_3-x的非辐射复合。因此，tT相太阳能电池的开路电压可以显著提高到1.26 V，接近材料的理论极限。因此，这项工作也强调了后处理在研究MHPs的晶格相关性质中的重要作用。

图4. 铁弹性与光伏的协同效应

文献信息

Suppressing non-radiative recombination in metal halide perovskite solar cells by synergistic effect of ferroelasticity，Nature Communications，2023.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35837-1

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/14/408ade2808/

李灿院士团队，2023年第二篇Nature子刊！

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