Resolving Nanoscale Phases Purity and Lattice Strain in Multi‐Cationic Perovskite Solar Cells for Enhanced Stability

材料科学 纳米尺度 阳离子聚合 钙钛矿(结构) 拉伤 化学工程 纳米技术 高分子化学 医学 内科学 工程类
作者
Congtan Zhu,Weihuang Lin,Haixia Zhu,Si Xiao,Xueyi Guo,Ying Yang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (39): e06008-e06008
标识
DOI:10.1002/smll.202506008
摘要

Abstract A‐site cations in organic–inorganic lead halide perovskites (OLHPs) critically stabilize phases, inhibit ion migration, and reinforce interfaces, ensuring device operational stability. However, the mechanistic links between A‐cation engineering and phase purity, and lattice strain in determining perovskite solar cell stability remain elusive. Here, optimized hybrid perovskite A‐site cation ratios (FA:70–90%, MA:5–15%, Cs:5–25%) are achieved using an orthogonal L 9 (3^ 4 ) array, reducing experimental permutations by 66.7% while maintaining statistical rigor through balanced phase‐space sampling and orthogonal factor matching, revealing composition‐dependent linkages among phase purity, lattice strain, and stability in OLHPs. The results demonstrate that cation coordination hierarchy (FA + >MA + >Cs + >Rb + ) governing phases purity. Further, Rb + substitution markedly suppresses defect density in quaternary FA 0.82 MA 0.05 Cs 0.05 Rb 0.08 PbI 3 films. The geometric phase analysis (GPA) demonstrates that stark contrasts between ternary (FA 0.80 MA 0.15 Cs 0.05 PbI 3 ) and quaternary (FA 0.82 MA 0.05 Cs 0.05 Rb 0.08 PbI 3 ) perovskites: the former exhibits pronounced compressive ( ɛ xx = −3.3%) and tensile ( ɛ yy = 27.5%) strains, whereas the latter shows significantly reduced strain magnitudes ( ɛ xx = −1.2%, ɛ yy = 1.6%), indicative of decreased lattice strain. Photovoltaic devices incorporating optimized FA 0.80 MA 0.15 Cs 0.05 PbI 3 achieve a PCE of 24.65%, while the FA 0.82 MA 0.05 Cs 0.05 Rb 0.08 PbI 3 device reaches 25.53%. Stability assessments reveal exceptional durability: the quaternary device retains ≈88% of its initial PCE after 500 h under humidity exposure.
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