新發(fā)現(xiàn)：通過硫氰酸鹽替代可實現(xiàn)鈣鈦礦的穩(wěn)定性

美國化學會雜志 · 2023-09-01 14:18:54

通過向其結(jié)構(gòu)中引入硫氰根離子（SCN–），可以穩(wěn)定室溫下的α-FAPbI3，這是一種具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有前景的太陽能電池材料。......

東京工業(yè)大學的研究人員在一項新研究中證明，通過向其結(jié)構(gòu)中引入硫氰根離子（SCN^–），可以室溫下穩(wěn)定α-FAPbI₃的狀態(tài)，而這是一種具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有前景的太陽能電池材料。他們的發(fā)現(xiàn)為通過晶界和偽鹵化物工程穩(wěn)定α相提供了新的見解。

這項研究成果發(fā)表在《美國化學學會雜志》上。

如果能高效利用，我們每天從太陽中接收到的光線可以幫助我們應(yīng)對當前的全球能源危機以及對氣候變化的關(guān)切。具有良好光物理性質(zhì)（即吸光能力）的材料被用于設(shè)計太陽能電池，將陽光轉(zhuǎn)化為電能。

我們每天從太陽接收到的光，如果有效利用，可以幫助我們解決目前的全球能源危機，以及我們對氣候變化的關(guān)注。具有良好光物理特性(即吸光能力)的材料被用于設(shè)計太陽能電池，將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。

在這方面最近取得了進展的一種材料是α-甲酰胺鉛碘化物或α-FAPbI₃（其中FA+ = CH(NH₂)²⁺），它是一種具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶固體。

由α-FAPbI₃制成的太陽能電池展示了卓越的25.8%轉(zhuǎn)換效率和1.48 eV的能隙，這些規(guī)格在實際應(yīng)用中非常理想。不幸的是，α-FAPbI_3?在室溫下是亞穩(wěn)態(tài)的，在受到水或光的觸發(fā)時會發(fā)生相變?yōu)棣?FAPbI₃。δ-FAPbI₃的能隙遠大于太陽能電池應(yīng)用的理想值，使得保持α相對于實際應(yīng)用至關(guān)重要。

為了解決這個問題，東京工業(yè)大學（東京工大）的山本教授領(lǐng)導的研究團隊最近提出了一種穩(wěn)定α-FAPbI₃的新策略。該團隊關(guān)注通過引入偽鹵離子硫氰根離子（SCN^–）來穩(wěn)定α-FAPbI₃的機制。

山本博士解釋說：“先前的研究已經(jīng)表明，將FAPbI₃的表面陰離子從碘化物（I^–）部分替換為硫氰根離子（SCN^–）可以穩(wěn)定α相。然而，SCN^–離子如何在鈣鈦礦晶格中整合并增加界面穩(wěn)定性仍不清楚?！?/p>

團隊首次制備了硫氰酸鹽穩(wěn)定的偽立方鈣鈦礦的單晶和粉末樣品。結(jié)構(gòu)分析表明，它具有具有有序柱狀缺陷的立方鈣鈦礦的√5倍超結(jié)構(gòu)，構(gòu)成α'相。新材料在室溫下在干燥大氣中具有熱力學穩(wěn)定性，并展示了1.91 eV的能帶隙。

該團隊發(fā)現(xiàn)，在含有δ相的樣品中存在α'相，可以促進δ到α相的相變，將轉(zhuǎn)變溫度降低了100 K以上。他們指出，α'相中的缺陷有序模式可以在雙晶界面形成巧合點陣，通過降低成核能量或通過外延熱力學穩(wěn)定來穩(wěn)定α相。

研究人員獲得的這些見解可以促進對鹵化物鈣鈦礦的空位有序排列和缺陷容忍性對穩(wěn)定性的進一步研究。“這項工作表明，通過偽鹵離子和晶界工程可以穩(wěn)定α-FAPbI₃，這對于試圖開發(fā)具有理想能隙和優(yōu)異轉(zhuǎn)換效率的新的熱力學穩(wěn)定太陽能電池材料的科學家可能是有益的，”山本博士總結(jié)道。

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