近日，常晶晶教授團隊提出了一種在鹵化物鈣鈦礦晶格中直接引入具有強電負性的氟離子，以抑制鈣鈦礦離子遷移，并穩(wěn)定晶相的策略。該方法顯著提升了鈣鈦礦光伏器件性能及穩(wěn)定性。這一成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》（影響因子：16.6）上，題為Inhibiting Ion Migration and Stabilizing Crystal‐Phase in Halide Perovskite via Directly Incorporated Fluoride Anion，文章的唯一通訊單位為西安電子科技大學(xué)，通訊作者是團隊中的常晶晶教授及胡趙勝博士。

離子遷移以及較差的穩(wěn)定性是導(dǎo)致常用鈣鈦礦器件性能退變，限制其實際應(yīng)用的一大關(guān)鍵因素。當(dāng)前，具有強電負性F−在鈣鈦礦薄膜表面、晶界或界面處修飾，以提升材料穩(wěn)定性及器件性能成為研究熱點。盡管此類修飾策略在提升鈣鈦礦材料性能方面展現(xiàn)出顯著潛力，但在直接摻雜進入鈣鈦礦薄膜晶格中的研究方面，目前尚未有報道。為了通過摻雜調(diào)控鈣鈦礦半導(dǎo)體特性，探索其直接引入鈣鈦礦晶格具有重要意義。然而，氟化物相比其它鹵化物具有更低溶解度，使其通過溶液法在晶格中引入F−非常具有挑戰(zhàn)性。

作者在這研究中，發(fā)展了一類新型的可揮發(fā)增溶性配體-吡啶鹵化物，用來輔助溶解PbF2，這一創(chuàng)新技術(shù)使得氟離子（F−）能夠直接融入鈣鈦礦晶格中。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于F−與鈣鈦礦中常用的鹵素離子（如I−和Br−）之間的離子半徑差異較大，F(xiàn)−趨向于占據(jù)鈣鈦礦CsPbI2Br的間隙位置，而非形成八面體骨架結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)為F−的引入提供了新的途徑。此外，該方法具有一定的普適性，不僅適用于全無機鈣鈦礦材料，還能應(yīng)用于有機-無機雜化鈣鈦礦體系。這一成果不僅為鈣鈦礦材料的性能優(yōu)化提供了新的策略，也為推動鈣鈦礦光電器件等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供了可能，具有重要的科學(xué)與應(yīng)用價值。

F−的強電負性顯著增強了CsPbI2Br中離子間的結(jié)合能，有效抑制了鈣鈦礦材料內(nèi)部缺陷的形成。值得注意的是，F(xiàn)−的引入并未在材料的能帶隙內(nèi)引入任何局部的淺或深能級缺陷態(tài)。微量的F−（0.2%）摻雜不僅能增大鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸，延長載流子壽命，改善表面疏水性，而且同時抑制了離子遷移和相分離現(xiàn)象，進一步優(yōu)化了鈣鈦礦材料的電學(xué)性能和穩(wěn)定性。其摻雜的鈣鈦礦太陽電池的性能和穩(wěn)定性都得到了顯著提升。在標(biāo)準(zhǔn)太陽光AM 1.5G條件下，CsPbI2Br器件效率達到了17.78%，相較于未處理的鈣鈦礦器件顯著提高了22%。在室內(nèi)光照條件下，F(xiàn)−誘導(dǎo)的缺陷抑制對器件性能提升更為顯著，效率從30.43%提升至38.01%。該器件還展示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在∼20% RH儲存（或連續(xù)光照）條件下，經(jīng)過1000多個小時，仍能保持初始效率的98%（94%）。此外，F(xiàn)−也可以借助這種增溶性配體直接引入到有機-無機雜化鈣鈦礦晶格中，大大抑制了離子遷移并穩(wěn)定了晶相，從而獲得了高效穩(wěn)定的兩步法制備的FAPbI3器件，其效率達到了25.10%。這一成果標(biāo)志著首次在一般鈣鈦礦薄膜晶格中實現(xiàn)F−的直接引入，為提升鈣鈦礦器件的性能與穩(wěn)定性開辟了新的技術(shù)途徑和方法。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202413550

（來源： 西電集成電路學(xué)部）