中科院上海高等研究院，|，上海光源、蛋白質設施用戶助力再創鈣鈦礦太陽能電池效率記錄

當今世界，解决不斷增長的能源需求與可持續發展之間的衝突，是所有國家的共同目標。現時，全球以“光伏”為代表的綠色可再生能源產業鏈已駛入發展快車道。其中，鈣鈦礦光伏被認為是未來最具前景的綠色光電轉換科技，它不僅更便宜、更輕薄、可變形，同時成本也更低廉、更環保，在應用範圍上正在孕育顛覆性變革。因而，基於鈣鈦礦光伏資料的各領域研究已經成為各國科學家追逐的“焦點”。其中，α相FAPbI₃鈣鈦礦具有更高的熱穩定性和光電轉換能力，帶隙更接近Shockley-Queisser極限，囙此α相FAPbI₃已成為高效穩定鈣鈦礦光伏最有前途的鈣鈦礦資料。然而此類鈣鈦礦光伏資料的研究卻始終存在許多難點，例如對濕度、熱等環境因素非常敏感，在空氣中極易發生相轉變致使器件失效，極大地制約了其產業化進程。

有鑑於此，來自瑞士、韓國、瑞典的國際合作者Jaeki Jeong，Minjin Kim，Jongdeuk Seo，Haizhou Lu（共同第一作者）等開發了一種陰離子工程技術，即使用贗鹵化物甲酸離子（HCOO^-）來抑制存在於晶界和鈣鈦礦薄膜表面的陰離子空位缺陷，成功獲得了25.6%器件效率（為已報導的最高鈣鈦礦太陽能電池效率），同時器件具有長期的運行穩定性（450小時），並具有强烈的電致發光特性，外量子效率超過10%。如圖1所示。

圖1.基於甲酸離子（HCOO^-）工程的FAPbI₃鈣鈦礦太陽能電池的穩定性

在FAPbI₃鈣鈦礦光伏薄膜的成膜及相關機理研究中，該國際合作團隊通過與蛋白質設施用戶/上海光源的楊迎國合作，利用多尺度多維度同步輻射譜學科技揭示了甲酸離子（HCOO^-）穩定α相FAPbI₃鈣鈦礦的相關機制。在相對濕度約為100%環境下對FAPbI₃薄膜進行同步輻射X射線衍射量測發現，參攷樣品中存在明顯δ相鈣鈦礦，而在2%Fo-FAPbI₃膜中則沒有此相，這證明FAHCOO使FAPbI₃的α相更加穩定，其中上海光源BL14B1和蛋白設施BL17B1線站為同步輻射X射線衍射測試提供了幫助。這些發現為消除存在於金屬鹵化物鈣鈦礦中的最豐富和有害的晶格缺陷提供了一條直接途徑，為獲得具有高效且長期穩定的光電效能的全溶液光伏製備技術提供了可能。

相關成果以“Pseudo-halide anion engineering forα-FAPbI₃perovskite solar cells”為題於2021年4月5日線上發表在Nature期刊上。論文通訊作者為韓國蔚山國立科學技術研究所Jin Young Kim，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Grätzel和Anders Hagfeldt，以及韓國能源研究所Dong Suk Kim。

該研究得到了上海光源繞射線站（BL14B1），通用譜學線站（BL11B）及軟X射線譜學顯微線站（BL08U）、國家蛋白質科學研究（上海）設施高通量晶體結構線站（BL17B1），時間分辨紅外譜學線站（BL01B1）線站的大力支持，線站工作人員為該工作提供了及時有效的幫助。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03406-5

摘要：蛋白質設施用戶/上海光源的楊迎國通過與國際合作團隊合作，利用多尺度多維度同步輻射譜學科技揭示了甲酸離子（HCOO^-）穩定α相FAPbI3鈣鈦礦的相關機制。相關成果以“Pseudo-halide anion engineering forα-FAPbI3 perovskite solar cells”為題於2021年4月5日線上發表在Nature期刊上。

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