文章介紹

他們想解決一個(gè)什么問題？

這群科學(xué)家想解決鈣鈦礦太陽能電池(特別是基于FAPbI3材料的電池)“身體太嬌貴”的問題。這種材料雖然發(fā)電效率高，但很容易“變臉”——從能發(fā)電的黑色結(jié)構(gòu)(α相)變成不能發(fā)電的黃色結(jié)構(gòu)(δ相)，導(dǎo)致電池很快壞掉。

以前的方法有什么不給力的地方?

以前大家知道氧氣和水氣會(huì)壞事，但其實(shí)光照和受熱產(chǎn)生的“內(nèi)鬼”——碘單質(zhì)(I2)和多碘化物(I3-)才是大麻煩。這些“壞碘”會(huì)在電池內(nèi)部積累，像傳染病一樣加速材料的分解和相變，讓電池性能迅速衰退。僅僅靠封裝擋住外面的水氧是不夠的，得治“內(nèi)傷”。

他們想到了什么新點(diǎn)子?

他們引入了一種叫 2NTD(2-amino-1,3,4-thiadiazole)的小分子添加劑。這個(gè)分子有兩個(gè)絕招:

1.增加“混亂度”(熵):它能像潤滑劑一樣，讓鈣鈦礦晶格里的甲脒離子(FA)轉(zhuǎn)動(dòng)得更自由。在熱力學(xué)里，這種更高的“混亂度”(高構(gòu)型熵)能把晶體結(jié)構(gòu)“鎖“在能發(fā)電的穩(wěn)定狀態(tài)，不讓它亂變。

2.充當(dāng)“清道夫”:它能把產(chǎn)生的“壞碘”(I2/I3-)還原回去，消滅這些破壞分子，防止材料自我降解。

結(jié)論

結(jié)果怎么樣？他們發(fā)現(xiàn)了什么有趣的現(xiàn)象或者得到了什么好效果？

效果非常驚人!

效率高:小面積電池效率達(dá)到了 26.63%，這在反式結(jié)構(gòu)電池里是非常頂尖的水平。

能做大:做成大一點(diǎn)的組件(12.96cm?)效率也能達(dá)到 23.08%。

身體棒:在85℃高溫烘烤1200多小時(shí)，或者在連續(xù)光照下工作1000多小時(shí)，電池還能保持大部分性能，極其穩(wěn)定。

這項(xiàng)研究牛在哪?

它提供了一種“雙管齊下”的思路:既用熱力學(xué)原理(熵驅(qū)動(dòng))從根本上穩(wěn)住晶體結(jié)構(gòu)，又用化學(xué)手段(還原碘)消除降解源頭。這為制造既高效又長壽的商業(yè)化鈣鈦礦太陽能電池提供了重要的技術(shù)路徑。

研究數(shù)據(jù)

圖1 ：碘富集環(huán)境下的相變及分子設(shè)計(jì)邏輯

主旨:揭示碘蒸氣導(dǎo)致的相變問題，并引入2NTD分子的理論優(yōu)勢。

關(guān)鍵信息:

GIWAXS(圖1a-c)顯示對(duì)照組在碘蒸氣下迅速出現(xiàn)δ相(非光活性)，證明碘會(huì)誘導(dǎo)相變。

DFT計(jì)算 (圖1e,g-i) 展示了三種同分異構(gòu)體(2NTD,5NT4D,5NT3D)的靜電勢和吸附能。2NTD對(duì)缺陷的吸附能最強(qiáng)，且偶極矩適中。

與創(chuàng)新點(diǎn)的關(guān)聯(lián):確立了研究的出發(fā)點(diǎn)(抗碘相變)和分子篩選的理論依據(jù)(強(qiáng)相互作用+適度偶極矩)。

圖2：抑制相變與熵驅(qū)動(dòng)機(jī)制驗(yàn)證

主旨:證明2NTD確實(shí)通過增加熵和抑制相變來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵信息:

0GIWAXS(圖2a-c)顯示2NTD處理后的薄膜在碘蒸氣下保持良好的α相，無δ相出現(xiàn)。

變溫偏振拉曼光譜(圖2e-g):這是核心證據(jù)。2NTD樣品的FA振動(dòng)信號(hào)對(duì)偏振角度不敏感，說明FA取向是隨機(jī)無序的(高熵)，而對(duì)照組有明顯取向性。

振動(dòng)熵計(jì)算(圖2h):2NTD改性后的FAPbI3在各溫度下具有更高的振動(dòng)熵。

與創(chuàng)新點(diǎn)的關(guān)聯(lián):直接支撐了標(biāo)題中的“Entropy-driven strategy”，證明2NTD讓FA轉(zhuǎn)得更歡了，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)了。

圖3: 抑制碘氧化與晶體生長調(diào)節(jié)

主旨:2NTD的化學(xué)功能(還原劑)和對(duì)結(jié)晶過程的優(yōu)化。

關(guān)鍵信息:

UV-vis(圖3a-c):2NTD能迅速將I3-還原回I-(溶液從黃色變無色)，證明其具有清除有害碘物種的能力。

原位GIWAXS(圖3d-e):2NTD延長了相變時(shí)間(Stagell)，有助于形成更大、更高質(zhì)量的晶粒。

與創(chuàng)新點(diǎn)的關(guān)聯(lián):驗(yàn)證了“化學(xué)穩(wěn)定“這一分創(chuàng)新點(diǎn)，解釋了為何薄膜缺陷少、質(zhì)量高。

圖4: 光伏性能與大面積擴(kuò)展

主旨:展示優(yōu)異的器件效率和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵信息:

J-V曲線(圖4c):冠軍器件效率 26.63%，VOC提升明顯。

大面積器件(圖4g-i):1 cm-2 效率 >25%，微型模組 >23%，且遲滯效應(yīng)極小。

與創(chuàng)新點(diǎn)的關(guān)聯(lián):用最終結(jié)果證明了策略的有效性，特別是反式器件能達(dá)到這個(gè)效率非常有說服力。

圖5: 載流子動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性

主旨:分析效率提升的原因(復(fù)合損失減少)和長期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵信息:

非輻射電壓損失(圖5b):2NTD組僅 69 mV，遠(yuǎn)低于對(duì)照組的 99 mV。

穩(wěn)定性測試(圖5a-h):無論是熱穩(wěn)定性(85°C)還是光照運(yùn)行穩(wěn)定性(MPP)2NTD組都遠(yuǎn)超對(duì)照組。

與創(chuàng)新點(diǎn)的關(guān)聯(lián):證明高熵策略不僅提高了初始效率(低缺陷)，還通過抑制降解機(jī)制顯著延長了壽命。

結(jié)果與討論解讀

本文策略總結(jié):利用 2NTD 分子調(diào)節(jié)鈣鈦礦結(jié)晶過程，通過氫鍵作用和配位作用，使FA+ 保持高旋轉(zhuǎn)自由度的無序狀態(tài)(高熵態(tài))，同時(shí)化學(xué)還原有害的碘物種。

核心發(fā)現(xiàn)與關(guān)鍵數(shù)據(jù):

• 2NTD 能有效清除 I2/I3-，防止氧化降解。

• 實(shí)現(xiàn) 26.63% 的高光電轉(zhuǎn)換效率。

• 在 85℃熱老化 1248 小時(shí)后保持 70% 初始效率;MPP 追蹤 1040 小時(shí)后保持 86% 效率。

研究意義與展望:證明了通過增加 FA+ 構(gòu)型熵來提高相穩(wěn)定性的可行性，并為解決反式鈣鈦礦太陽能電池的效率和可靠性瓶頸鋪平了道路。

DOl鏈接

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64728-w

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