2023年1月27日，河南大学材料学院李萌教授团队和德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Antonio Abate教授团队等合作，在Science上以Research Article形式发表了题为Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations的研究成果，发展了高效耐变温钙钛矿太阳能电池。
基于有机金属卤化物钙钛矿材料的太阳能电池因其简单的操作工艺、廉价的材料成本、易于制备大面积器件以及较高的光电转换效率等优点受到了广泛关注。自2009年首次提出钙钛矿太阳能电池研究，其光电转换效率得到了迅速的发展，到目前为止其效率几乎与工业化应用比较成熟的晶体硅太阳能电池相当。但在日夜温差巨大的实际应用环境中，温度变化会引发卤化物钙钛矿材料的相变和晶格应变，致使器件性能迅速衰减直至损坏，这是目前制约钙钛矿太阳能电池走向应用的关键挑战和难题。因此，开发具有耐受温度变化的高效钙钛矿太阳能电池对推进其应用，发展绿色能源，实现“双碳”战略具有重要意义。
为了解决上述问题，河南大学材料学院李萌教授和德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Antonio Abate教授等合作，选择具有有序偶极结构的β-聚(1,1-二氟乙烯)调控钙钛矿薄膜的结晶及排列（图一），构建了变温自调节光伏器件，获得了具有优异耐变温特性的高效钙钛矿太阳能电池。研究团队制备的p-i-n结构钙钛矿太阳能电池，有效面积0.18平方厘米的器件PCE达到了24.6%，1平方厘米的器件PCE达到了23.1%，在25°C和75°C下进行1个太阳光照射最大功率点跟踪1000小时后，分别保持了初始器件效率的96%和88%。并在-60°C和+80°C之间的快速变温循环下性能稳定超过一百个周期。
图一 β-聚(1,1-二氟乙烯)作用机理
为了对钙钛矿材料结晶性的改善进行验证，李萌教授及其合作者基于同步辐射加速器的原位掠入射广角X射线散射(GIWAXS)对钙钛矿成膜过程进行检测（图二），观察到了β-聚(1,1-二氟乙烯)可以促进钙钛矿黑相的生成。证实了有序偶极聚合物通过降低钙钛矿形成能、促进相转化进而实现更有序的晶体结构调控。
图二 结晶动力学研究
研究团队针对钙钛矿太阳能电池实际应用的变温环境，深入开展了不同温度以及变温循环研究（图三），在这个过程中经过有序偶极聚合物优化的钙钛矿电池表现出更好的温度稳定性。
图三 钙钛矿电池的热稳定性测试
这项突破性的工作，揭示了β-聚(1,1-二氟乙烯)可以有效改善钙钛矿薄膜结晶性能，有效钝化薄膜晶体表面界面缺陷，优化钙钛矿界面能级排列，促进载流子传输，从而提升p-i-n结构钙钛矿器件光电特性。更重要的是在变温环境中，β-聚(1,1-二氟乙烯)在晶界处的有序排列可以有效的缓冲变温过程中晶粒挤压引起的晶界形变并释放晶格应力，实现可恢复的晶体结构，从而显著提升器件的变温稳定性。该工作发展了一种制备高效耐变温钙钛矿太阳能电池的新策略，加快了钙钛矿太阳能电池的工业化应用进程。
河南大学材料学院李萌教授和德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Antonio Abate教授为该论文的通讯作者，亥姆霍兹柏林材料与能源中心李桂香和中国科学院上海高等研究院苏圳煌博士为论文第一作者。材料学院贾瑜教授、朱蕊博士、以及博士研究生张祖宏参与了本项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委的大力支持。
李萌教授，2021年入职河南大学材料学院/特种功能材料教育部重点实验室/高效显示与照明技术国家地方联合工程研究中心，受聘河南大学“杰出人才特区”第四层次特聘教授。2018年获得苏州大学材料科学与工程博士学位（导师：廖良生教授和王照奎教授），期间2017年赴英国斯旺西大学联合培养，2018-2021年赴德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心(HZB)从事博士后研究工作，导师Antonio Abate教授，2018-2020年期间获得中德计划奖学金(OCPC)，中方导师李永舫院士，2020-2021年在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Michael Grätzel教授课题组交流访学。
李萌教授团队主要从事半导体光电器件的研究，目前主要围绕半导体光电器件与物理，开展钙钛矿光伏器件（PV）和量子点发光二极管（QLED）的研究工作，目前的研究内容主要包括非铅、大面积钙钛矿光伏器件与模组，半导体纳米晶量子点发光器件，器件界面工程研究，钙钛矿晶体的动力学研究。截止目前，课题组已在Science、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等国际学术期刊发表SCI论文50余篇。目前论文总引用量有4500余次，h-index为38。已获授权国际国内发明专利6项。并担任Toxics和Frontiers in Photonics期刊的特刊编辑，主持国家自然科学青年基金项目1项。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7331
