記者28日從中國科學技術大學獲悉，該校徐集賢團隊揭示了空氣環(huán)境中制備鈣鈦礦的退化機理和全過程穩(wěn)定劑設計原則，實現(xiàn)了常規(guī)空氣環(huán)境中（25℃至30℃，相對濕度30%—50%）一步法制備高效p-i-n反式鈣鈦礦電池的突破。相關成果2月26日發(fā)表于學術期刊《自然·能源》。
此前，徐集賢團隊率先創(chuàng)造了穩(wěn)態(tài)認證效率超過26.1%的紀錄。然而，目前這些高效器件需要在惰性氣氛內(nèi)制備，直接轉(zhuǎn)移到空氣中制備的器件效率和穩(wěn)定性都大幅退化，這限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和實際應用。實驗發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜的空氣制備經(jīng)歷了全過程退化，包括前驅(qū)體溶液在水氧環(huán)境和加熱條件下的快速變質(zhì)退化，主要機制為鹵素氧化和有機陽離子的去質(zhì)子化；空氣中結(jié)晶過程水合作用誘導的破壞性相變以及缺陷的大量增殖，尤其是在鈣鈦礦/電子傳輸界面額外產(chǎn)生的大量p型缺陷對于載流子的輸運十分不利，這使得在空氣環(huán)境中制造高效穩(wěn)定的p-i-n器件相對n-i-p器件更具挑戰(zhàn)性。
研究團隊合成了一種離子液體型的全過程穩(wěn)定劑——甲酸二甲基胺。甲酸二甲基胺的還原作用以及它與鈣鈦礦前體的配位鍵和氫鍵抑制了有機陽離子的去質(zhì)子化和鹵素離子的氧化，使鈣鈦礦溶液能夠在空氣環(huán)境和加熱條件下長期儲存。此外，這種保護作用可以延續(xù)至空氣中的鈣鈦礦結(jié)晶過程，提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度，降低局部孿晶產(chǎn)生和晶粒間表面電勢無序度，抑制缺陷誘導的非輻射復合。
這項研究證明了僅進行常規(guī)的表面鈍化對于空氣環(huán)境制備鈣鈦礦是不足的。研究團隊在空氣環(huán)境中制造的p-i-n器件獲得了25.4%的實驗室最高效率和24.7%的穩(wěn)態(tài)認證效率，接近氮氣中制備的同種器件最好水平。同時，研究團隊也確認了該技術在寬帶隙鈣鈦礦材料中的普適性，對疊層器件的空氣環(huán)境制備具有重要的推動意義。
（記者吳長鋒）