人類社會擁有五千年的文明歷史，能源的發展在這個過程中具有不可替代的作用。世界能源的發展經歷了柴草期、煤炭時期和石油時期，其中爆發了兩次能源危機。能源危機的爆發引起人們重視能源，改變了能源結構；能源危機使人們重視環保節能，改變傳統的生活方式，提倡低碳生活；能源危機改變了化石能源的開採和利用方式，加快了新能源的利用進程。
未來是新能源的時代，特別是以太陽能為代表的新能源，具有環保無汙染、可持續、來源廣泛等優點。
2019年11月8日，韓國蔚山國立科學技術學院的Sang Il Seok教授團隊在世界頂級期刊《Sciencer》在線發表名為“Efficient, stable solarcells by using inherent bandgap of α-phase formamidinium lead iodide”的研究文章。
文章的創新點：Sang Il Seok教授團隊製備的α- FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池器件實現了短路電流密度在26.1-26.7毫安每立方厘米之間，這是用FA基LHPs製備得到的鈣鈦礦太陽能電池最高的電流密度。該設備的認證能量轉換效率高達（超過）24%並且遠高於介孔TiO2基的鈣鈦礦太陽能電池，儘管經常長時間的老化實驗，仍然保持較高的穩定性。
研究預覽：在鈣鈦礦太陽能電池中，通常使用含有甲脒(FA)、甲基銨(MA)、銫、碘和溴離子的混合陽離子和陰離子來穩定基於甲脒(FA)的三碘化鉛(FAPbI3)的黑色α相。而甲基銨(MA)、銫、溴等添加劑使其帶隙增大、熱穩定性降低。Sang Il Seok教授團隊用摻雜的二氯二甲二銨( MDACl2)提高α- FAPbI3的穩定性並獲得了26.1到26.7毫安每平方釐米的認證短路電流密度。經認證的功率轉換效率(PCEs)為23.7%，即使是在600小時的運行後仍然保持超過90%的初始效率，其中最大功率點是在跟蹤在全日光照明條件下取得的。即使在150℃的空氣中熱處理20小時後，未封裝的電子器件仍然保留90%以上認證的能源轉換效率，並且具有更好的熱、溼度穩定性。
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)相較於其他太陽能電池，是通過更窄的帶隙吸收更寬的太陽能光，提高了能量轉換效率(PCEs)。在鹵化鉛鈣鈦礦(LHPs)中，以甲醛胺(FA)為基的三碘化鉛(FAPbI3)與MAPbl (MA為methylammonium)相比，降低了分解溫度並提高了熱穩定性，成為擁有最窄的帶隙。FAPbI3從預期的三角形狀的α相轉變為正六邊形的非預期的寬帶隙的δ相是非常容易的，在室溫條件下即可完成。
製備過程
為了提高FAPbI3的穩定性，學術界已經做出了很多的努力，目前主要集中在混合陽離子-陰離子混合型LHPs上。該LHPs包含多種陽離子或陰離子或兩者兼有，例如FAxMA1-x雙陽離子或FA1-x-yMAxCsy三陽離子。然而,當MA和Br被熔合在FAPbI3中，這時出現了各種各樣的問題,如由於MA添加導致出現較低的熱穩定性、混合鹵化物的存在導致的相分離、光子吸收降低等，從而因不良帶隙的增加導致較低電流密度。
為了進一步提高能量轉化效率，可以採用增大集光、提高光電流密度的方法，那麼就需要一種新的化合物，在穩定α相的同時，保持FAPbI3的原有帶隙。 最近還報道了(NHgCHNHXCHNH)e-PbyLgar1 (m = 4-9/n=1-4)的合成，該合成採用互補的固態研磨和溶液方法作為2D/ 3D混合物(21)。使用含聯銨的二維或二維/三維混合鈣鈦礦通過增強各層之間的靜電相互作用而增強了鈣鈦礦材料的穩定性。然而二維結構中的有機陽離子可以通過在導電的無機板之間形成絕緣層來抑制電荷的傳輸，製備沒有二維鈣鈦礦層的三維的LHPs應該是非常理想的。
設備性能
Sang Il Seok教授團隊採用加入少量的MDACl2製備得到MA-、Cs-和無溴的α-FAPbI3，是一種高效且穩定的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。FAPbI3的合成：3.8mol的MDACl2用來穩定α相且帶隙只有微小的變化。該團隊製備的該鈣鈦礦太陽能電池器件實現了短路電流密度在26.1-26.7毫安每立方厘米之間，這是用FA基LHPs製備得到的鈣鈦礦太陽能電池最高的電流密度。該設備的認證能量轉換效率高達（超過）24%並且在長時間的老化實驗中保持較高的穩定性。該設備的能量轉換效率遠高於介孔TiO2基的鈣鈦礦太陽能電池。
上圖A是不同比例的MDACl2的鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率。從圖中可以看出不同比例的MDACl2的鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率比較均勻，基本都在20%以上；MDACl2的用量為3.8mol時的能量轉化效率最高，超過22%。上圖B採用A中效果最好的3.8mol的MDACl2，比較電流密度-電壓特性。從圖中的J-C曲線計算出的JSC, VOC, and FF 值分別為26.50毫安每立方厘米、1.14V和81.77%，對應的能源轉換效率是24.66%。上圖C是3.8mol的MDACl2的外部量子效率，結果表明添加了MDACl2的鈣鈦礦太陽能電池的效率比沒有添加的鈣鈦礦太陽能電池的效率高，主要是因為吸收波長範圍的增大。
摻雜MDACl2後引起的氯離子和缺陷改變的表徵
添加適量的MDA提高鈣鈦礦太陽能電池的性能意味著要使用其他有利因素補償VFA缺陷帶來的負極影響，因此進行了摻雜MDACl2後引起的氯離子和缺陷改變相關的測試。上圖A是在黑暗條件下，只有電子設備的I-V曲線。從圖中可以看出當添加的MDACl2的含量分別為0、1.9、3.8、5.7時，鈣鈦礦太陽能電池的電子能量密度相對值分別為5.4、7.6、5.7、8.0，說明MDACl2的添加對於電子能級密度有少許的影響。該團隊還比較了沉積在石英襯底上的目標器件和控制器件的電荷載流子壽命。上圖B顯示了隨時間變化的光致發光記錄的與時間相關單光子計數儀，目標器件的非輻射重組的壽命為1562ns，遠高於控制組的715ns。
電荷載流子壽命的增加表明存在另一個有利因素，該團隊著重關注了在FAPbI3晶格中氯離子的共存、碘離子位點的晶格取代或者間隙位點的晶格取代。少量的氯離子取代可以降低EAPbI3的晶格應變，抑制缺陷的形成。MDA2+陽離子可以使氯離子更加容易地插入到晶胞間隙中，殘留的氯含量可以通過X射線光電子能譜和飛行時間-二次離子比色法測定。結果顯示添加了3.8molMDACl2的目標組的殘餘氯含量高於沒添加MDACl2的控制組。控制組中的少量氯含量與之前報道的結果一致。
穩定性測試
該團隊還比較了目標組和控制組在長時間的溼度、熱穩定性和光穩定性，如上圖所示。該團隊使用銅酞菁(CuPC)作為空穴傳輸材料(HTM)來防止設備的腐蝕。
研究總結：Sang Il Seok教授團隊製備的α- FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池器件實現了短路電流密度在26.1-26.7毫安每立方厘米之間，這是用FA基LHPs製備得到的鈣鈦礦太陽能電池最高的電流密度。即使在150℃的空氣中熱處理20小時後，未封裝的電子器件仍然保留90%以上認證的能源轉換效率，主要歸功於光電極和鈣鈦礦界面的高濃度氯離子。
DOI：10.1126/science.aay7044
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