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第一作者：Muyang Chen, Tingting Niu

通讯作者：陈永华

通讯单位：南京工业大学

论文速览：

由于其创纪录的单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）效率，甲胺铅三碘化物（FAPbI3）已成为研究的热点。然而，FAPbI3的形成通常需要δ-FAPbI3作为中间相，该中间相因低结晶度和无序的晶体取向而存在高缺陷密度，这限制了最终α-FAPbI3相的缺陷密度进一步降低。

在本研究中，我们通过全面过程（溶液、抗溶剂、基底和加工气氛）低温控制，报道了通过低温策略合成具有高结晶度的稳定中间相的方法。低温策略允许在前驱体溶液中形成更大、更稳定的胶体，为形成较少但更优质的初始晶核，并延缓薄膜结晶化，从而获得更好的中间相晶体。

最终，钙钛矿薄膜的缺陷密度降低了8倍。因此，获得了效率超过25%、填充因子超过85%的高效稳定FAPbI3 PSC，并在连续光照应力下展现出1000小时的优异长期运行稳定性。

图文导读：

图1：温度对FAPbI3前驱体胶体状态的影响。通过Pb L3-edge扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱的傅里叶变换，展示了在不同温度下FAPbI3前驱体胶体溶液的径向分布函数。图中显示了随着温度的降低，Pb···O和Pb-I化学键的峰强度和位置的变化，揭示了低温下Pb-I框架与DMF:DMSO溶剂之间相互作用的增强。

图2：分子动力学模拟表征。展示了在不同温度下PbI2/FAI/MACl/DMSO/DMF混合溶液的典型模拟快照，并通过静态结构因子、径向分布函数等计算结果，揭示了温度降低导致的离子物种的聚集和溶剂分子的亲和性变化。

图3：FAPbI3薄膜的结晶和生长过程的表征。利用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测量，监测了从旋涂到退火的完整过程。图中展示了在不同温度下，δ-FAPbI3相的形成以及向α-FAPbI3相的转变，以及最终FAPbI3薄膜的结晶质量。

图4：钙钛矿太阳能电池器件的表征。展示了最佳控制和目标设备的正反向扫描电流-电压（J-V）曲线，以及40个设备的效率统计分布。此外，还展示了目标设备在环境气氛下的长期运行稳定性测试结果，以及电子-only设备的J-V曲线和提取的缺陷密度。

亮点介绍：

1. 通过低温控制策略，成功合成了具有高结晶度的稳定中间相，显著降低了最终α-FAPbI3相的缺陷密度。

2. 实现了超过25%的高效稳定的FAPbI3钙钛矿太阳能电池，其填充因子超过85%。

3. 展示了1000小时连续光照应力下的优异长期运行稳定性。

4. 通过分子动力学模拟和实验数据，揭示了低温下离子物种聚集和结晶过程的微观机制。

5. 该研究提供了一种新的途径，通过控制中间相的形成和结晶过程，来提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。

高端表征：

1. X射线吸收精细结构（EXAFS）：

使用了扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）技术来观察不同温度下前驱体溶液中铅离子周围的配位环境。通过分析Pb L3-edge EXAFS谱，研究了温度变化对Pb-I框架与溶剂分子之间相互作用的影响，以及Pb-I化学键的变化。这些信息有助于理解低温策略如何影响前驱体溶液中的离子聚集和结晶过程。

2. 原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）

使用原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）技术来监测FAPbI3薄膜从旋涂到退火的完整结晶和生长过程。通过分析不同阶段的GIWAXS图谱，研究了温度对FAPbI3薄膜结晶过程的影响，以及最终薄膜的结晶质量。这些原位测试结果对于理解低温策略如何提高钙钛矿薄膜质量和器件性能至关重要。

计算模拟：

分子动力学模拟（MD）：

论文中采用了粗粒化分子动力学模拟来研究PbI2/FAI/MACl/DMSO/DMF混合溶液在不同温度下的微观性质。通过模拟，研究了温度变化对离子物种聚集、溶剂分子亲和性以及离子间相互作用的影响。

模拟结果表明，在低温条件下，单价阳离子（FA+和MA+）能够桥接Pb/I团簇，形成更大的离子团簇，从而优化随后的钙钛矿结晶过程。这些模拟为理解温度如何影响钙钛矿前驱体溶液中的离子聚集和结晶提供了重要的微观机制。

文献信息：

标题：Formamidinium lead triiodide perovskite solar cells with high efficiency and stability

期刊：Energy & Environmental Science

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