3月24日，Wiley 旗下的材料顶刊Advanced Materials 在线发表了物理科学与技术学院方国家教授团队有关钙钛矿太阳能电池的重要研究进展。论文题为“2,2-Azodi(2-Methylbutyronitrile)-coordinated Intermediate Phase Engineering for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”（《2,2-偶氮二（2-甲基丁腈）配位中间相工程用于制备高效稳定钙钛矿太阳能电池》）。  

物理科学与技术学院2022级博士生葛艳松为论文第一作者，物理科学与技术学院方国家教授、陶晨研究员、柯维俊教授为通讯作者。合作者还有王倜研究员、王海兵、王成、王晨、管红令、邵文龙等研究生。武汉大学物理科学与技术学院为论文唯一署名单位。

金属卤化物钙钛矿电池作为光伏领域的新生代表由于钙钛矿材料优异的光电性质和可低成本的溶液法成膜特性近年来得到飞速发展，目前单节钙钛矿太阳能电池效率已经高达25.7%，然而和理论值33.5%的S-Q极限光电转换效率还有很大差距，这主要源自不足的载流子抽取和严重的非辐射复合。

溶液法制备钙钛矿薄膜过程可分为前驱溶液阶段、中间相阶段和退火结晶生长阶段。在钙钛矿薄膜的一步溶液法制备过程中，由于其低的形成能，少量的钙钛矿形核在前驱液中就已发生甚至已形成了初始的微晶。为了更好地调控钙钛矿结晶，两步成膜法开始得到广泛研究。在两步法制备方法中，主要克服的困难在于铵盐和碘化铅（PbI₂）薄膜不完全或者无序的反应。利用PbI₂配位溶剂添加剂的中间相策略来调控铵盐与碘化铅的反应被广泛地应用在两步法成膜策略中。其中配位最常见的溶剂添加剂为二甲基亚砜（DMSO）。DMSO和碘PbI₂强的相互作用使得其和碘化铅配位形成稳定的PbI₂-DMSO中间相，之后再引入铵盐时能促进PbI₂和铵盐的离子交换反应，从而得到更完全的相转变。中间相的性质和添加剂与PbI₂的相互作用方式密切相关，越强的相互作用可形成越牢固的中间相。然而，研究报道发现甲脒（FA⁺）离子剧烈的无序活动也会导致不利的相转变。因此寻找一个能同时和PbI₂、FA⁺配位的策略对于两步法的发展尤为重要。

本文报道了一种基于2,2-偶氮二（2-甲基丁腈）(AMBN)配位的独特中间相策略来调控两步法钙钛矿成膜，即在PbI₂溶液和铵盐溶液中都引入少量的AMBN。相比已报道的含单一羰基或单一羧基基团的添加剂材料，AMBN具有两个对称的氰基。氰基由于其氮上活跃的孤对电子具有很强的给电子能力，因此在引入到钙钛矿前驱液中可以同时铆钉2个Pb²⁺形成AMBN与[PbI₆]^4-的复合物中间相来控制成核；同时经实验证明AMBN还可与FA⁺由于氢键作用形成AMBN与FAI的复合物来抑制FA⁺无序的剧烈活动。因此在引入AMBN后，不仅获得了孔径面积比更大的多孔PbI₂薄膜，还使得钙钛矿（001）取向的结晶得到增强，并且由于与晶界残余Pb²⁺和FA⁺的作用使得钙钛矿薄膜中的缺陷得到有效的抑制。最终使得钙钛矿薄膜的激子寿命得到大幅提升，界面抽取得到改善，复合得到抑制，从而在正置单节结构器件中实现了超过25%的光电转换效率。这一方案为更深入地理解钙钛矿的结晶过程和提高钙钛矿薄膜质量提供了新思路。  

该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、湖北省科技厅等项目的资助。   

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210186  

 （作者：方国家教授课题组，编辑：袁娜，审核：张晨栋）