物理所石将建述评：杨培东等通过应变工程提升全无机铯铅碘钙钛矿相稳定性-哥伦比亚世界杯-电竞世界杯_世界杯巴西

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2023年第二十期（总第148期）专栏文章，由来自中国科学院物理研究所副研究员、中科院青促会会员石将建，就Cell Press细胞出版社期刊 Matter中的论文发表述评。

太阳能电池的大规模应用是实现能源和环境可持续发展的基础。新型钙钛矿太阳能电池技术的发展为更低成本、更低碳足迹地利用太阳能提供了更多机遇。钙钛矿太阳能电池在近10年经历了快速发展，目前单结电池光电转换效率已经达到26%，与商业化晶硅电池可相比拟。然而，稳定性仍然是影响该电池产业化发展的重要因素。近年来，铯铅碘(CsPbI3)钙钛矿因其优异的高温和光电稳定性、更简单的元素组成和适用于叠层电池的宽带隙(~1.7 eV)，而吸引了该领域的广泛关注。尽管如此，CsPbI3存在的多种物相结构以及室温下γ-δ非钙钛矿相转变仍是限制该材料长期可靠应用的关键。研究发现，应变/应力是影响CsPbI3钙钛矿材料物相稳定性的一个重要因素。但，关于应变与不同类型钙钛矿材料稳定性关联的研究还存在一定的不一致性，应变调控往往也会引入其它变量，比如缺陷、晶界等。这些影响因素的耦合使得直接理解应变对钙钛矿材料稳定性的影响及其机制存在一定困难。因此，在更简单的单晶模型系统中研究CsPbI3钙钛矿的固有应变特性并构建应变对相稳定性影响的基本理解非常必要。

来自加州大学伯克利分校的Han K.D. Le和杨培东等研究人员在云母单晶衬底上定向生长了具有明确外延关系且具有不同厚度的CsPbI3单晶纳米片(图1)。并利用局域微尺度结构和光学探测技术，在单个纳米片水平系统表征和量化了与纳米片厚度相关的CsPbI3固有晶格应变。这些空间分辨技术的应用能够精确确定单个纳米片内应变引起的结构和光学性质变化，从而克服了传统表征方法中样品异质性被平均化的问题。利用微区同步辐射X射线，研究人员获得了单个CsPbI3纳米片的劳厄反射斑点结构，并通过与无应变晶格参数的对比，计算了具有不同厚度的纳米片在垂直衬底平面方向(面外)的晶格应变参数特性(图2)。发现，当纳米片厚度低于400 nm时，晶格在面外方向表现出压缩应变，且应变程度随纳米片厚度降低而明显提升。这是因为CsPbI3在云母表面的外延生长使得其在面内方向存在一定的拉伸应变。随着纳米片厚度达到400 nm以上，晶格面外应变逐渐消失。这是因为，云母/CsPbI3界面相互作用导致的体系能量下降已不足以维持CsPbI3晶格的高应变，体相CsPbI3晶格通过畸变或原子位移的方式实现了应变能量释放，恢复低/非应变状态。

进一步利用微区荧光显微镜研究了不同厚度CsPbI3纳米片光致发光特性，并通过带通滤光片实现了γ和δ相CsPbI3的区分(图3)。在50%相对湿度下追踪了在不同衬底上生长的以及具有不同厚度的γ相CsPbI3纳米片发光随老化时间的变化。结果发现，在云母衬底上严格外延生长的且具有更大应变的CsPbI3纳米片表现出更高的物相稳定性。这可能主要得益于两个原因：(1)应变使得δ相CsPbI3体系能量升高，降低了室温γ-δ相变的热力学驱动力；(2)衬底-晶格相互作用降低了γ相CsPbI3体系能量，内应变限制了相变所涉及的晶格结构和体积变化，提高了室温γ-δ相变的动力学能垒。

总的来说，该研究通过外延单晶生长和微区结构、光学表征获得了CsPbI3钙钛矿晶格应变对相稳定内在影响的基本理解，这有利于促进钙钛矿光电器件性能的进一步优化提高。

▲图1 云母基底上外延生长的CsPbI3纳米片表征。(A-D) AFM形貌、光学显微照片和XRD极图。(E) 生长于云母(001)晶面上的γ-CsPbI3 (110)晶面的原子结构示意图。

▲图2 CsPbI3纳米片应变的结构表征。(A-B)XRD表征及与非应变样品对比；(C)利用微区同步辐射X射线获得单个CsPbI3纳米片的劳厄反射斑点结构；(D-E)随纳米片厚度变化的CsPbI3晶格应变，以及CsPbI3纳米片外延生长应变示意图。

▲图3 外延生长的CsPbI3纳米片γ相稳定性表征。(A) CsPbI3 γ-δ相转变晶格结构示意图；(B) 云母衬底上不同CsPbI3纳米片显微荧光照片和光谱；(C-D) 不同衬底、不同厚度CsPbI3纳米片荧光稳定性追踪(50%相对湿度)；(E-F) 不同老化时间仍产生γ相荧光的纳米片CsPbI3厚度分布。

论文摘要

CsPbI3的高温钙钛矿γ相在常温下很容易发生相变，转变为光电性能较差的低温非钙钛矿δ相，这阻碍了这些材料在光伏领域的商业化。在这里，我们展示了CsPbI3纳米片在云母单晶衬底上的外延生长，并证明了这些纳米片的高温相稳定性在应变界面的作用下得到了增强。通过空间分辨的结构和光学表征，我们在单纳米片水平测量了应变与纳米片厚度之间的关系，发现随着厚度的减小，应变增加。通过对厚度小于400纳米和大于400纳米的纳米片CsPbI3相变的定量追踪，我们观察到在1个月后仍有更大比例的薄纳米片保持其高温相；相比之下，厚纳米片则较少。这些发现建立了应变与相变动力学之间的关系，对于合理设计稳定的钙钛矿光电器件至关重要。

The high-temperature perovskite γ-phase of CsPbI3 readily undergoes phase transition at ambient conditions to a low-temperature non-perovskite δ-phase with a poorer optoelectronic performance, thus hindering commercialization of these materials in photovoltaics. Here, we present the epitaxial growth of CsPbI3 nanoplates on muscovite mica single-crystal substrates and demonstrate that the high-temperature phase stability of these nanoplates is enhanced by a strained interface. Strain is measured as a function of nanoplate thickness on a single-particle level through spatially resolved structural and optical characterizations and is found to increase with decreasing thickness. From quantitatively tracking the CsPbI3 phase transition for thin (<400 nm) and thick (>400 nm) nanoplates, we observe a larger fraction of thin nanoplates still maintaining their high-temperature phase after 1 month compared with their thick counterparts. These findings establish a relationship between strain and phase transition kinetics, which is critical for rational design of stable perovskite-based optoelectronic devices.

中文内容仅供参考，请以英文原文为准

评述人简介

石将建

中国科学院物理研究所副研究员

中科院青促会会员

石将建，博士，中国科学院物理研究所副研究员，博士生导师。2012年本科毕业于东南大学，2017年博士毕业于中科院物理所，并留所工作。入选中科院青促会并获国家优秀青年科学基金资助。目前主要从事新型多元化合物薄膜太阳能电池材料开发、高性能器件研制、以及太阳能电池缺陷和电荷损失的光电测量研究。已在Rev. Sci. Instrum.、Appl. Phys. Lett.、Joule、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.和Sci. Bull.等期刊发表论文多篇，H-index: 49，并获授权发明专利8项。

Dr. Jiangjian Shi is currently an associate professor in Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences (IOP/CAS). He obtained his BSc degree from Southeast University in 2012 and his PhD degree from IOP/CAS in 2017. Currently, his research interest mainly focuses on developing emerging multinary-compound thin-film solar cell materials and devices and photoelectrically investigating defect and charge loss in solar cells. He has published a series of papers in academic journals such as Rev. Sci. Instrum., Appl. Phys. Lett., Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci. and Sci. Bull. and has obtained an H-index of 49. He has also obtained eight authorized Chinese patents.

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