【#我国团队破解钙钛矿电池寿命基因难题#】据中国科学院合肥物质科学研究院网站11月2日消息，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员和田兴友研究员团队与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授、华北电力大学戴松元教授合作，成功在反式钙钛矿太阳电池研究方面取得新突破。研究团队首次发现钙钛矿阳离子面外分布不均匀是影响电池性能的主要原因，并通过设计1-（苯磺酰基）吡咯（PSP）作为添加剂均匀化钙钛矿薄膜相分布，获得了26.1%的光电转换效率（PCE）。相关成果于2023年11月2日加速在线发表（AAP）在《自然》（Nature）杂志上。
钙钛矿太阳电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于新概念太阳能电池，经过多年发展，传统的界面钝化及结晶调控方法很大程度上推动了电池效率的提升，但近年来相关研究中该电池效率的提升速度明显放缓，相关研究遇到了“瓶颈”。科研人员发现，钙钛矿薄膜内往往不可避免的会发生相分离现象，研究团队前期工作表明有效管理卤素相分离有助于提高器件性能（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 2213932）。高效率钙钛矿材料往往通过采用纯碘体系下的阳离子掺杂组分获得，尤其是FA1-xCsxPbI3体系，不同的阳离子组分在钙钛矿体相面外方向的分布对钙钛矿体相载流子扩散及界面抽取至关重要。深入研究阳离子面外方向分布，不但有助于理解钙钛矿体相载流子动力学过程，更有望推动钙钛矿太阳电池效率的进一步提升。但是钙钛矿体相的不同阳离子组分分布、以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。
基于此，研究团队从FA1-xCsxPbI3体系出发，通过元素定量分析研究了甲脒（FA）与铯（Cs）阳离子的纵向分布，结合飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）与X射线光电子谱（XPS），深度剖析发现无机Cs阳离子倾向于沉积在薄膜底部，有机FA阳离子在薄膜上界面处富集。在此基础上，研究团队对钙钛矿薄膜晶相分布进行了深度剖析，通过掠入射X射线衍射（GIXRD）与薄膜截面的透射电镜（TEM）分析，证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相，并且在薄膜底部显示出与富Cs钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分说明阳离子面外方向的梯度不均匀分布，这也是首次可视化验证了钙钛矿薄膜的阳离子组分在面外不均匀分布。
研究团队通过原位试验方法进一步分析了这种梯度不均匀分布的原因，发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是导致组分不均匀的主要原因。进而，团队设计了PSP分子以弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差，制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜有效抑制了由底部富Cs相带来的准I型能级排列，极大程度上提升了载流子寿命及扩散长度，加强了载流子界面抽取。
研究团队利用PSP策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了26.1%的最高效率，认证效率为25.8%。此外，经2500小时最大功率电追踪后（MPPT），未封装的器件仍保持其初始 PCE 的 92% 的可靠运行稳定性。该研究工作表明，通过均匀化钙钛矿组分面外分布可获得优异电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈，为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向，对推动PSCs走向商业化发展具有重要意义。
中国科学院合肥物质院固体所博士研究生梁政为该论文第一作者，南方科技大学章勇博士、固体所博士研究生徐慧芬为共同第一作者，固体所潘旭研究员为论文的第一通讯作者，固体所叶加久博士、成均馆大学Nam-Gyu Park教授和华北电力大学戴松元教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、合肥物质院院长基金等项目资助。
图1. 钙钛矿空间垂直的 FA-Cs 相分离：（a）由面外FA-Cs偏析引起的不均匀相分布图；（b）PSP的静电势（ESP）图像和分子结构；（c）对照样品和PSP器件的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）光谱阳离子分布；（d）基于深度XPS的原子百分比分布；对照样品（e）和PSP处理样品（f）的HAADF透射电子显微镜图像（比例尺参考：200nm）；对照样品（g）和 PSP（h）处理的钙钛矿薄膜底部收集的GIXRD 光谱。
图2. FA-Cs相分离的起源：（a）原位同步辐射掠入射广角X射线散射（原位GIWAXS）图谱揭示了结晶和相变过程；对照样品（b）和PSP样品（c）在结晶和相变过程中自由能演化的计算结果示意图；（d-e）X射线吸收精细结构谱（EXAFS）测量的傅里叶变换R空间结果图；（f）根据EXAFS测量计算出的Pb-O配位比图；（g）PSP和PSP（PbI2）络合物的FTIR谱图。
图3. 器件性能：（a）小面积钙钛矿太阳电池的J-V曲线；（b）钙钛矿太阳电池的IPCE曲线；（c）小面积钙钛矿太阳电池以LED模式运行的EQE曲线；（d）1cm2钙钛矿太阳电池的J-V曲线；钙钛矿太阳电池在（e）ISOS L-1I与（f）ISOS D-3标准下的运行稳定性。
钙钛矿太阳电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于新概念太阳能电池，经过多年发展，传统的界面钝化及结晶调控方法很大程度上推动了电池效率的提升，但近年来相关研究中该电池效率的提升速度明显放缓，相关研究遇到了“瓶颈”。科研人员发现，钙钛矿薄膜内往往不可避免的会发生相分离现象，研究团队前期工作表明有效管理卤素相分离有助于提高器件性能（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 2213932）。高效率钙钛矿材料往往通过采用纯碘体系下的阳离子掺杂组分获得，尤其是FA1-xCsxPbI3体系，不同的阳离子组分在钙钛矿体相面外方向的分布对钙钛矿体相载流子扩散及界面抽取至关重要。深入研究阳离子面外方向分布，不但有助于理解钙钛矿体相载流子动力学过程，更有望推动钙钛矿太阳电池效率的进一步提升。但是钙钛矿体相的不同阳离子组分分布、以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。
基于此，研究团队从FA1-xCsxPbI3体系出发，通过元素定量分析研究了甲脒（FA）与铯（Cs）阳离子的纵向分布，结合飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）与X射线光电子谱（XPS），深度剖析发现无机Cs阳离子倾向于沉积在薄膜底部，有机FA阳离子在薄膜上界面处富集。在此基础上，研究团队对钙钛矿薄膜晶相分布进行了深度剖析，通过掠入射X射线衍射（GIXRD）与薄膜截面的透射电镜（TEM）分析，证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相，并且在薄膜底部显示出与富Cs钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分说明阳离子面外方向的梯度不均匀分布，这也是首次可视化验证了钙钛矿薄膜的阳离子组分在面外不均匀分布。
研究团队通过原位试验方法进一步分析了这种梯度不均匀分布的原因，发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是导致组分不均匀的主要原因。进而，团队设计了PSP分子以弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差，制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜有效抑制了由底部富Cs相带来的准I型能级排列，极大程度上提升了载流子寿命及扩散长度，加强了载流子界面抽取。
研究团队利用PSP策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了26.1%的最高效率，认证效率为25.8%。此外，经2500小时最大功率电追踪后（MPPT），未封装的器件仍保持其初始 PCE 的 92% 的可靠运行稳定性。该研究工作表明，通过均匀化钙钛矿组分面外分布可获得优异电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈，为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向，对推动PSCs走向商业化发展具有重要意义。
中国科学院合肥物质院固体所博士研究生梁政为该论文第一作者，南方科技大学章勇博士、固体所博士研究生徐慧芬为共同第一作者，固体所潘旭研究员为论文的第一通讯作者，固体所叶加久博士、成均馆大学Nam-Gyu Park教授和华北电力大学戴松元教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、合肥物质院院长基金等项目资助。
图1. 钙钛矿空间垂直的 FA-Cs 相分离：（a）由面外FA-Cs偏析引起的不均匀相分布图；（b）PSP的静电势（ESP）图像和分子结构；（c）对照样品和PSP器件的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）光谱阳离子分布；（d）基于深度XPS的原子百分比分布；对照样品（e）和PSP处理样品（f）的HAADF透射电子显微镜图像（比例尺参考：200nm）；对照样品（g）和 PSP（h）处理的钙钛矿薄膜底部收集的GIXRD 光谱。
图2. FA-Cs相分离的起源：（a）原位同步辐射掠入射广角X射线散射（原位GIWAXS）图谱揭示了结晶和相变过程；对照样品（b）和PSP样品（c）在结晶和相变过程中自由能演化的计算结果示意图；（d-e）X射线吸收精细结构谱（EXAFS）测量的傅里叶变换R空间结果图；（f）根据EXAFS测量计算出的Pb-O配位比图；（g）PSP和PSP（PbI2）络合物的FTIR谱图。
图3. 器件性能：（a）小面积钙钛矿太阳电池的J-V曲线；（b）钙钛矿太阳电池的IPCE曲线；（c）小面积钙钛矿太阳电池以LED模式运行的EQE曲线；（d）1cm2钙钛矿太阳电池的J-V曲线；钙钛矿太阳电池在（e）ISOS L-1I与（f）ISOS D-3标准下的运行稳定性。
【我国团队破解钙钛矿电池寿命基因难题，成果登上《自然》杂志 】[鲜花]中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员和田兴友研究员团队与韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 教授、华北电力大学戴松元教授合作，成功在反式钙钛矿太阳电池研究方面取得新突破。https://t.cn/A6Wo2aI7
[打call]科研人员发现，钙钛矿薄膜内往往不可避免地会发生相分离现象，研究团队前期工作表明有效管理卤素相分离有助于提高器件性能。高效率钙钛矿材料往往通过采用纯碘体系下的阳离子掺杂组分获得，尤其是 FA1-xCsxPbI3 体系，不同的阳离子组分在钙钛矿体相面外方向的分布对钙钛矿体相载流子扩散及界面抽取至关重要。深入研究阳离子面外方向分布，不但有助于理解钙钛矿体相载流子动力学过程，更有望推动钙钛矿太阳电池效率的进一步提升。但是钙钛矿体相的不同阳离子组分分布、以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。
[太阳]基于此，研究团队从 FA1-xCsxPbI3 体系出发，通过元素定量分析研究了甲脒（FA）与铯（Cs）阳离子的纵向分布，结合飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）与 X 射线光电子谱（XPS），深度剖析发现无机 Cs 阳离子倾向于沉积在薄膜底部，有机 FA 阳离子在薄膜上界面处富集。在此基础上，研究团队对钙钛矿薄膜晶相分布进行了深度剖析，通过掠入射 X 射线衍射（GIXRD）与薄膜截面的透射电镜（TEM）分析，证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相，并且在薄膜底部显示出与富 Cs 钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分说明阳离子面外方向的梯度不均匀分布，这也是首次可视化验证了钙钛矿薄膜的阳离子组分在面外不均匀分布。
[看涨]研究团队通过原位试验方法进一步分析了这种梯度不均匀分布的原因，发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是导致组分不均匀的主要原因。进而，团队设计了 PSP 分子以弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差，制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜有效抑制了由底部富 Cs 相带来的准 I 型能级排列，极大程度上提升了载流子寿命及扩散长度，加强了载流子界面抽取。
[微风]研究团队利用 PSP 策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了 26.1% 的最高效率，认证效率为 25.8%。此外，经 2500 小时最大功率电追踪后（MPPT），未封装的器件仍保持其初始 PCE 的 92% 的可靠运行稳定性。
该研究工作表明，通过均匀化钙钛矿组分面外分布可获得优异电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈，为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向，对推动 PSCs 走向商业化发展具有重要意义。
[全力以赴]中国科学院合肥物质院固体所博士研究生梁政为该论文第一作者，南方科技大学章勇博士、固体所博士研究生徐慧芬为共同第一作者，固体所潘旭研究员为论文的第一通讯作者，固体所叶加久博士、成均馆大学 Nam-Gyu Park 教授和华北电力大学戴松元教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、合肥物质院院长基金等项目资助。
[打call]科研人员发现，钙钛矿薄膜内往往不可避免地会发生相分离现象，研究团队前期工作表明有效管理卤素相分离有助于提高器件性能。高效率钙钛矿材料往往通过采用纯碘体系下的阳离子掺杂组分获得，尤其是 FA1-xCsxPbI3 体系，不同的阳离子组分在钙钛矿体相面外方向的分布对钙钛矿体相载流子扩散及界面抽取至关重要。深入研究阳离子面外方向分布，不但有助于理解钙钛矿体相载流子动力学过程，更有望推动钙钛矿太阳电池效率的进一步提升。但是钙钛矿体相的不同阳离子组分分布、以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。
[太阳]基于此，研究团队从 FA1-xCsxPbI3 体系出发，通过元素定量分析研究了甲脒（FA）与铯（Cs）阳离子的纵向分布，结合飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）与 X 射线光电子谱（XPS），深度剖析发现无机 Cs 阳离子倾向于沉积在薄膜底部，有机 FA 阳离子在薄膜上界面处富集。在此基础上，研究团队对钙钛矿薄膜晶相分布进行了深度剖析，通过掠入射 X 射线衍射（GIXRD）与薄膜截面的透射电镜（TEM）分析，证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相，并且在薄膜底部显示出与富 Cs 钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分说明阳离子面外方向的梯度不均匀分布，这也是首次可视化验证了钙钛矿薄膜的阳离子组分在面外不均匀分布。
[看涨]研究团队通过原位试验方法进一步分析了这种梯度不均匀分布的原因，发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是导致组分不均匀的主要原因。进而，团队设计了 PSP 分子以弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差，制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜有效抑制了由底部富 Cs 相带来的准 I 型能级排列，极大程度上提升了载流子寿命及扩散长度，加强了载流子界面抽取。
[微风]研究团队利用 PSP 策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了 26.1% 的最高效率，认证效率为 25.8%。此外，经 2500 小时最大功率电追踪后（MPPT），未封装的器件仍保持其初始 PCE 的 92% 的可靠运行稳定性。
该研究工作表明，通过均匀化钙钛矿组分面外分布可获得优异电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈，为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向，对推动 PSCs 走向商业化发展具有重要意义。
[全力以赴]中国科学院合肥物质院固体所博士研究生梁政为该论文第一作者，南方科技大学章勇博士、固体所博士研究生徐慧芬为共同第一作者，固体所潘旭研究员为论文的第一通讯作者，固体所叶加久博士、成均馆大学 Nam-Gyu Park 教授和华北电力大学戴松元教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、合肥物质院院长基金等项目资助。
唐朝的一个官吏偶遇相士袁天罡，让袁帮他的孩子相面。袁天罡看完几个孩子的面相后，大赞最小的孩子面相极佳，官吏却听得后背发凉，头顶直冒冷汗。
袁天罡是唐朝时候非常有名的相士，他的相面术非常厉害，唐朝历史上数得上名字的人几乎都和他有些关系。
唐朝初年，有一个叫武士彟 的官吏因晋升举家迁往蜀中，在途中偶遇了袁天罡。当时，袁天罡已经有了很大的名气，武士彟 便请他为自己的几个孩子相面。
袁天罡先是看了大儿子，说道：“大公子面有清贵之气，日后必能官至三品。”
武士彟 又将二儿子领到袁天罡跟前，袁天罡说：“二公子同乃兄命格相似，日后也能官运通达，富贵荣华享用不尽。”
武士彟心中有些许失望，虽然三品已经是不小的官儿了，但是并不比自己的品级高，儿子们的命运并不差，但是也不过是守成而已。
最后，夫人把最小的孩子抱了上来，这孩子还只有三岁，长得玉雪可爱，虽然年幼，但眉宇之间已经隐含英气。
袁天罡一见这孩子，眼睛便亮了，说道：“贵公子龙睛凤颈，是大贵之相！”
紧接着，袁天罡又说道：“相公家有此佳儿，日后定然门庭显耀，贵不可言。”
武士彟听了大喜，随即便觉出了不对劲：袁天罡搞错了这孩子的性别。
这最小的孩子其实是个女孩，只因面相中有些英气，又穿着两个哥哥幼时的男孩服装，所以看上去就像个男孩子。
由于袁天罡名声太盛，武士彟怕直接说孩子是女儿，会扫了袁天罡的面子。便问道：“此子若是女子，则当如何？”
他期望听到的是，袁天罡会给出“贵女承天恩，满门皆荣宠”的论断。
这也没有什么好丢脸的，自古以来，因为一个嫁入皇家的贵女而崛起的家族也不在少数。
然而，没想到的是，袁天罡一听这话，脸色顿时大惊，随后定睛看了小女儿好一会儿，转过头来，对着武士彟缓缓地说道：“此子若是女儿，则日后必称帝！”
武士彟一听这话，吓得差点没厥过去。
这时候，大唐初定天下，正是国泰民安的时候，这样的太平盛世里，对于官宦人家的孩子来说，“有称帝之相”可不是什么好事。这话如果被人听了去，只怕招来灭族之祸都是有的。
要是眼前说这话的只是个无名江 湖术士，那也罢了，偏偏他又是大名鼎鼎的袁天罡，数十年来给无数达官贵人相面，从未失手过。
武士彟不敢再继续问下去，刚好将错就错，打了个哈哈结束了谈话：“先生抬举了。”
袁天罡离开后，武士彟严令在场的所有家人仆从，谁也不能将此话外传，否则直接处死。
说到这里，大家想必已经猜到了，这个武家的小女儿，便是后来中国历史上唯一的女皇帝武则天。
袁天罡给武则天相命的事，民间一直在流传。民间传说真伪难辨。但如果此事是真的，想必后来武士彟应该把袁天罡的话烂在了肚子里，直到武则天真的成了皇帝时，才能把这事儿拿出来说。
不过，那时候，当年可能导致武家灭族的论断，此时可能又成了武则天收服人心的手段了：她是天命所归的女主嘛。
福兮祸所依，祸兮福所倚。人生不到最后，难有定论。唯有坚定的走下，走完自己的一生，才知道最终的结果。
你怎么看？
袁天罡是唐朝时候非常有名的相士，他的相面术非常厉害，唐朝历史上数得上名字的人几乎都和他有些关系。
唐朝初年，有一个叫武士彟 的官吏因晋升举家迁往蜀中，在途中偶遇了袁天罡。当时，袁天罡已经有了很大的名气，武士彟 便请他为自己的几个孩子相面。
袁天罡先是看了大儿子，说道：“大公子面有清贵之气，日后必能官至三品。”
武士彟 又将二儿子领到袁天罡跟前，袁天罡说：“二公子同乃兄命格相似，日后也能官运通达，富贵荣华享用不尽。”
武士彟心中有些许失望，虽然三品已经是不小的官儿了，但是并不比自己的品级高，儿子们的命运并不差，但是也不过是守成而已。
最后，夫人把最小的孩子抱了上来，这孩子还只有三岁，长得玉雪可爱，虽然年幼，但眉宇之间已经隐含英气。
袁天罡一见这孩子，眼睛便亮了，说道：“贵公子龙睛凤颈，是大贵之相！”
紧接着，袁天罡又说道：“相公家有此佳儿，日后定然门庭显耀，贵不可言。”
武士彟听了大喜，随即便觉出了不对劲：袁天罡搞错了这孩子的性别。
这最小的孩子其实是个女孩，只因面相中有些英气，又穿着两个哥哥幼时的男孩服装，所以看上去就像个男孩子。
由于袁天罡名声太盛，武士彟怕直接说孩子是女儿，会扫了袁天罡的面子。便问道：“此子若是女子，则当如何？”
他期望听到的是，袁天罡会给出“贵女承天恩，满门皆荣宠”的论断。
这也没有什么好丢脸的，自古以来，因为一个嫁入皇家的贵女而崛起的家族也不在少数。
然而，没想到的是，袁天罡一听这话，脸色顿时大惊，随后定睛看了小女儿好一会儿，转过头来，对着武士彟缓缓地说道：“此子若是女儿，则日后必称帝！”
武士彟一听这话，吓得差点没厥过去。
这时候，大唐初定天下，正是国泰民安的时候，这样的太平盛世里，对于官宦人家的孩子来说，“有称帝之相”可不是什么好事。这话如果被人听了去，只怕招来灭族之祸都是有的。
要是眼前说这话的只是个无名江 湖术士，那也罢了，偏偏他又是大名鼎鼎的袁天罡，数十年来给无数达官贵人相面，从未失手过。
武士彟不敢再继续问下去，刚好将错就错，打了个哈哈结束了谈话：“先生抬举了。”
袁天罡离开后，武士彟严令在场的所有家人仆从，谁也不能将此话外传，否则直接处死。
说到这里，大家想必已经猜到了，这个武家的小女儿，便是后来中国历史上唯一的女皇帝武则天。
袁天罡给武则天相命的事，民间一直在流传。民间传说真伪难辨。但如果此事是真的，想必后来武士彟应该把袁天罡的话烂在了肚子里，直到武则天真的成了皇帝时，才能把这事儿拿出来说。
不过，那时候，当年可能导致武家灭族的论断，此时可能又成了武则天收服人心的手段了：她是天命所归的女主嘛。
福兮祸所依，祸兮福所倚。人生不到最后，难有定论。唯有坚定的走下，走完自己的一生，才知道最终的结果。
你怎么看？
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