4月12日，细胞出版社（Cell Press）旗下能源旗舰刊《Joule》(《焦耳》, 影响因子IF=41.2)在线发表了我课题组的研究成果 “Origins and influences of metallic lead in perovskite solar cells” (《钙钛矿太阳能电池中金属铅的起源和影响》)。课题组2019级博士研究生梁记伟为论文第一作者，物理科学与技术学院方国家教授、柯维俊教授和余睿教授为论文共同通讯作者，武汉大学为第一作者单位。武汉大学物理科学与技术学院陶晨研究员、澳门大学邢贵川教授和梁超博士参与了部分研究工作。
近年来钙钛矿太阳能电池取得了极大的发展，而如何提高钙钛矿太阳能电池的稳定性是实现其产业化的关键。其中关于钙钛矿材料中有害的零价铅（Pb0）一直是一个热议性的话题，找出其中的根源和影响机理意义重大。Pb0被认为是钙钛矿衰减的一个内在重要原因，其在钙钛矿体内不仅会导致新的复合中心的产生，而且还会降低器件的稳定性。一些研究认为这种有害的Pb0可能来源于钙钛矿前驱体溶液，而其他一些研究报道认为Pb0可能来源于钙钛矿薄膜的生长或者后退火过程。一致的观点是Pb0的存在严重地影响了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。因此，科学界迫切需要系统阐明Pb0在钙钛矿吸光材料中的起源及其对器件光伏转换效率和稳定性的影响规律，以便提出解决问题的措施。
研究人员通过系列实验研究发现Pb0的出现主要来自于钙钛矿薄膜中残留碘化铅(PbI2)的降解，而并非形成于钙钛矿的结晶生长过程中。研究结果表明，不仅仅是可见光光照，X射线辐照甚至常规的XPS测试过程也会导致残余PbI2分解形成Pb0；相比较而言，符合化学计量比且纯相的钙钛矿材料本身却呈现出优异的光照和X射线辐照稳定性；进一步的研究发现，钙钛矿薄膜中的Pb0会抑制钙钛矿的结晶，同时会诱导更多相关的深能级缺陷。这些缺陷的存在不仅增加了器件的非辐射复合，降低了器件的效率，而且也加速了器件的衰减。
该工作提出降低Pb0的首要条件是减少钙钛矿中过量的碘化铅，同时抑制过量的PbI2和其光照附产物Pb0的生成并提供补偿型的阳离子是未来提升钙钛矿电池长期光照稳定性的重要措施之一。
钙钛矿中Pb0形成机理图
该工作研究了困扰钙钛矿领域已久的Pb0问题，系统性地研究了Pb0在钙钛矿中的起源和影响，为解决钙钛矿电池的稳定性问题提供了新思路。有关符合化学计量比且纯相的钙钛矿具有优异辐照稳定性的结果，增强了钙钛矿光伏界将钙钛矿电池推向产业化的信心。该工作对推动钙钛矿电池的商业化进程具有重要借鉴意义。
该研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部、湖北省科技厅项目经费的支持。
论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00132-5