钙钛矿太阳能电池成本低，效率高，被认为是最有希望实现低成本发电的光伏技术之一。现在高效率的钙钛矿电池普遍采用高温烧结的TiO₂，限制了其在柔性器件中的应用，而且TiO₂在光的作用下可以催化分解钙钛矿，严重影响电池的稳定性。目前钙钛矿电池的效率已经超过23%，稳定性问题已经成为限制其走向实用化的最大瓶颈。

　　宁波材料所方俊锋研究员围绕上述问题展开深入研究，并取得重要进展。首先，针对TiO₂需要高温处理的问题，提出采用极性富勒烯（C60 pyrrolidine tris-acid，CPTA）来替代TiO₂作为电子传输材料，实现了柔性钙钛矿电池效率>17%（Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701144）；在此基础上，进一步在界面处引入PbI₂作为晶核，通过界面诱导成核优化钙钛矿晶体生长，使器件效率提升至20.2%（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706317）。同时，在空穴传输材料方面，通过对聚电解质传输材料抗衡离子的选择（P3CT-N），有效抑制了聚电解质的过度聚集，从而改善了钙钛矿薄膜在界面上的生长，实现了反向p-i-n钙钛矿电池效率>19%，柔性器件效率也达到18%，1cm*1cm的大面积器件效率>15%（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 31357; Advanced Science, 2018, 1800159）。

　　在上述高效p-i-n钙钛矿电池的基础上，最近，该研究团队在钙钛矿电池的工作稳定性方面进一步取得重要进展。太阳能电池在实际发电（光照且外加负载）过程中的连续功率输出是衡量其能否实用化的核心指标。在实际工作中，钙钛矿薄膜内部的离子会沿晶界发生定向迁移，这是造成钙钛矿电池效率衰退的重要原因。针对此问题，该团队率先提出原位交联的策略来制备钙钛矿电池。在钙钛矿薄膜中引入一种可交联的液体有机小分子（trimethylolpropane triacrylate, TMTA，图1a），借助TMTA与晶界处PbI₂的配位作用，使TMTA化学“锚钉”在钙钛矿晶界处，有效钝化晶界缺陷，实现>20%的器件效率；更重要的是，经过进一步加热处理，TMTA能够发生原位交联（图1b），在晶界处形成稳定的交联聚合物网络（图1c），使钙钛矿薄膜的离子迁移活化能由0.21eV提升至0.48eV，从而有效抑制离子沿晶界的迁移。基于此策略的钙钛矿电池在全光谱标准太阳光下经过400小时的连续最大功率输出（负载0.84V）仍能维持初始效率的80%（图2），相对于传统的钙钛矿电池，其工作稳定性（T₈₀）提升了590倍。该工作首次实现了甲胺铅碘钙钛矿电池在标准太阳光（Xe灯）、全光谱（不滤光）下>200小时的长期工作稳定性，为高效稳定钙钛矿电池的制备提供了全新的思路与方法。同时，钙钛矿电池的空气稳定性（湿度45%-60%）和热稳定性（85℃）也有明显提升，经过>1000小时老化后仍能维持初始效率（或post burn-in效率）的90%以上。相关工作以“In-situ cross-linking strategy for efficient and operationally stable methylammoniun lead iodide solar cells” 为题发表在Nature Communications上(Nat. Commun. 2018, 9, 3806；论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06204-2)。方俊锋研究员为该论文的唯一通讯作者，李晓冬博士为第一作者。

　　上述工作得到中国科学院前沿科学重点研究计划（CAS QYZDB-SSW-JSC047）、国家自然科学基金（51773213，61474125）及博士后基金（2017M610380）等项目的支持。

图1 (a) TMTA化学结构；(b) TMTA加热交联；(c) TMTA在钙钛矿薄膜中原位交联示意图

图2 基于原位交联策略的钙钛矿电池的连续功率输出（标准Xe灯光源，全光谱，恒定0.84V负载）

　　                                                             （新能源所 李晓冬）