該研究論文第一作者為上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士后王勇。上海交通大學(xué)為第一完成和通訊單位。合作單位包括瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Grätzel教授、日本沖繩理工大學(xué)戚亞冰教授、吉林大學(xué)張立軍教授以及上海光源高興宇研究員團隊。

近年來(lái)，有機無(wú)機雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率獲得了快速提升，但其化學(xué)穩定性差、易分解嚴重阻礙其商業(yè)化應用。相比之下，全無(wú)機CsPbI3鈣鈦礦具有優(yōu)異的化學(xué)穩定性，即使耐受400度高溫也不發(fā)生分解，并且~1.7eV 帶隙的全無(wú)機CsPbI3鈣鈦礦是和廣泛使用的~1.1eV帶隙的晶硅構建疊層太陽(yáng)能電池的理想材料。但是，全無(wú)機CsPbI3鈣鈦礦面臨結構容忍因子過(guò)小導致的體相穩定性差，鈣鈦礦材料缺陷多以及其器件能級匹配不理想引發(fā)的器件效率較低這兩大關(guān)鍵挑戰。趙一新團隊在前期研究中，率先證明了可以通過(guò)維度調控、有機陽(yáng)離子表面端基化等方法擠壓Pb-I八面體提高容忍因子，從而獲得良好的相穩定性（Sci. Adv., 2017, 3, e1700841）。提出了一種新的Br梯度摻雜提高容忍因子并鈍化I缺陷的機制，大幅提高了CsPbI3鈣鈦礦的相穩定化，獲得了17%的無(wú)機鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率紀錄（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 12345）。

趙一新團隊基于材料晶相的精準表征與理論計算，發(fā)現β相CsPbI3比γ相CsPbI3具有更加優(yōu)異的相穩定性和光伏性能。其次趙一新團隊提出了利用有機陽(yáng)離子誘導調控CsPbI3結晶動(dòng)力學(xué)的科學(xué)策略，成功解決了β相CsPbI3合成難題，實(shí)現了在溫和條件下獲得高質(zhì)量的β相CsPbI3鈣鈦礦。該熱力學(xué)穩定的β-CsPbI3鈣鈦礦同時(shí)具有高度（110）晶面取向利于電荷傳輸（圖1所示）。與立方晶相的α-CsPbI3相比，隸屬于四方晶系同時(shí)具有高度（110）晶面取向的β-CsPbI3晶體對稱(chēng)性有所下降：Pb-I八面體表現出一定程度的扭曲，但又低于正交結構的γ-CsPbI3中Pb-I八面體扭曲程度。趙一新團隊和吉林大學(xué)張立軍團隊合作，基于理論計算揭示了CsPbI3全無(wú)機鈣鈦礦中α、β、γ三種晶相中Pb-I八面體扭曲程度不同是導致晶體結構和帶隙差異的關(guān)鍵，特別是從理論上指出β-CsPbI3會(huì )擁有更窄的帶隙，和實(shí)驗結果一致。趙一新團隊和上海光源高興宇楊迎國團隊通過(guò)同步輻射實(shí)驗合作，揭示了純相的β-CsPbI3表現出比之前報道的α-CsPbI3和γ-CsPbI3更佳的本征相穩定性。

圖1. β-CsPbI3全無(wú)機鈣鈦礦材料和結構表征

趙一新團隊和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Gr?tzel團隊、沖繩理工大學(xué)戚亞冰團隊進(jìn)一步提出了裂紋界面工程方法。不同于之前僅能對鈣鈦礦上表面進(jìn)行鈍化修飾的常規界面工程，裂紋填充界面工程在對β-CsPbI3上表面進(jìn)行處理的同時(shí)，還可利用初始β-CsPbI3薄膜中存在的孔洞、缺陷等進(jìn)行填充，通過(guò)這些微通道使碘化膽堿均勻分布于β-CsPbI3上下表層和內部（圖2），可以實(shí)現鈣鈦礦全方位的修飾改性。這些全方位分布的碘化膽堿不但全面鈍化了β-CsPbI3層缺陷，而且優(yōu)化了β-CsPbI3與電荷傳輸層之間的能級匹配，從而大幅度改善了器件的光伏性能。最終，基于缺陷修復和能級優(yōu)化后的β-CsPbI3全無(wú)機鈣鈦礦電池獲得了>18%光電轉換效率，經(jīng)中國計量院第三方認證的最高效率18.3%，是當前無(wú)機鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高值。這些研究成果對無(wú)機鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和其他鈣鈦礦材料光電應用具有重要指導意義。

該研究得到國家自然科學(xué)基金（21777096，51861145101）、教育部霍英東青年教師基金（151046），上海市教委曙光人才計劃（17SG11）和中國博士后科學(xué)基金（2017M621466）等項目的資助。同時(shí)，也獲得上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心和上海污染控制與生態(tài)安全研究院的大力支持。