The past several years have witnessed the rapid emergence of a class of solar cells based on mixed organic–inorganic halide perovskites. Today’s state-of-the-art perovskite solar cells (PSCs) employ various methods to enhance nucleation and improve the smoothness of the perovskite films formed via solution processing. However, the lack of precise control over the crystallization process creates a risk of forming unwanted defects, for example, pinholes and grain boundaries. Here, we introduce an approach to prepare perovskite films of high electronic quality by using poly(methyl methacrylate) (PMMA) as a template to control nucleation and crystal growth. We obtain shiny smooth perovskite films of excellent electronic quality, as manifested by a remarkably long photoluminescence lifetime. We realize stable PSCs with excellent reproducibility showing a power conversion efficiency (PCE) of up to 21.6% and a certified PCE of 21.02% under standard AM 1.5G reporting conditions. Controlling the crystallization process of perovskite films is crucial to obtaining high efficiency in perovskite solar cells. Bi et al. propose the use of poly(methyl methacrylate) as a template for the controlled nucleation and growth of perovskite crystals achieving efficiency of 21.6%.

Efficient all-perovskite tandem cells Organic-inorganic perovskite films can boost the output of conventional silicon solar cells in tandem geometries by utilizing more of the light at the blue end of the solar spectrum. Tandem cells that use only perovskite films have been less successful because of the lack of a suitable material with a low bandgap that can replace silicon. Tong et al. report that a mixed tin-lead organic-inorganic material containing a small fraction of guanidinium thiocyanate has a low bandgap, long charge-carrier lifetime, and efficiencies around 25%. Science , this issue p. 475

Abstract Perovskite solar cells (PSCs) have reached a certified 25.2% efficiency in 2019 due to their high absorption coefficient, high carrier mobility, long diffusion length, and tunable direct bandgap. However, due to the nature of solution processing and rapid crystal growth of perovskite thin films, a variety of defects can form as a result of the precursor compositions and processing conditions. The use of additives can affect perovskite crystallization and film formation, defect passivation in the bulk and/or at the surface, as well as influence the interface tuning of structure and energetics. Here, recent progress in additive engineering during perovskite film formation is discussed according to the following common categories: Lewis acid (e.g., metal cations, fullerene derivatives), Lewis base based on the donor type (e.g., O‐donor, S‐donor, and N‐donor), ammonium salts, low‐dimensional perovskites, and ionic liquid. Various additive‐assisted strategies for interface optimization are then summarized; additives include modifiers to improve electron‐ and hole‐transport layers as well as those to modify perovskite surface properties. Finally, an outlook is provided on research trends with respect to additive engineering in PSC development.

Engineering perovskites with anions The bandgap of the perovskite top layer in tandem silicon solar cells must be tuned to ∼1.7 electron volts. Usually, the cation composition is varied because the bromine-rich anion compositions with wide bandgaps are structurally unstable. Kim et al. show that by using phenethylammonium as a two-dimensional additive, along with iodine and thiocyanate, bromine-rich perovskite films can be stabilized. A tandem silicon cell delivered >26% certified power conversion efficiency, and a perovskite device maintained 80% of its initial power conversion efficiency of >20% after 1000 hours under illumination. Science , this issue p. 155

Recent achievements of 2D perovskites for various optoelectronic applications along with their basic properties and future opportunities are discussed.

A fullerene derivative (α-bis-PCBM) is purified from an as-produced bis-phenyl-C61 -butyric acid methyl ester (bis-[60]PCBM) isomer mixture by preparative peak-recycling, high-performance liquid chromatography, and is employed as a templating agent for solution processing of metal halide perovskite films via an antisolvent method. The resulting α-bis-PCBM-containing perovskite solar cells achieve better stability, efficiency, and reproducibility when compared with analogous cells containing PCBM. α-bis-PCBM fills the vacancies and grain boundaries of the perovskite film, enhancing the crystallization of perovskites and addressing the issue of slow electron extraction. In addition, α-bis-PCBM resists the ingression of moisture and passivates voids or pinholes generated in the hole-transporting layer. As a result, a power conversion efficiency (PCE) of 20.8% is obtained, compared with 19.9% by PCBM, and is accompanied by excellent stability under heat and simulated sunlight. The PCE of unsealed devices dropped by less than 10% in ambient air (40% RH) after 44 d at 65 °C, and by 4% after 600 h under continuous full-sun illumination and maximum power point tracking, respectively.

Abstract Metal halide perovskite solar cells (PSCs) have risen in efficiency from just 3.81% in 2009 to over 25.2% today. While metal halide perovskites have excelled in efficiency, advances in stability are significantly more complex and have progressed more slowly. The advance of efficiency, which is readily measured, over stability, which can require literally thousands of hours to demonstrate, is to be expected given the rapid rate of innovation in the field. In the face of changing absorber composition, synthetic approaches, and device stack components it is necessary to understand basic material properties to rationalize how to enable stability in devices. In this article the aim is to present an in‐depth review of the current understanding of metal halide perovskite devices and module stability by focusing on what is known retarding intrinsic and extrinsic degradation mechanisms at the material, device, and module level. Once these considerations are presented the discussion then moves to connecting different degradation mechanisms to stresses anticipated in operation and how they can impact efficiency of cells and ultimately modules over time.

Organic–inorganic halide perovskites incorporating two-dimensional (2D) structures have shown promise for enhancing the stability of perovskite solar cells (PSCs). However, the bulky spacer cations often limit charge transport. Here, we report on a simple approach based on molecular design of the organic spacer to improve the transport properties of 2D perovskites, and we use phenethylammonium (PEA) as an example. We demonstrate that by fluorine substitution on the para position in PEA to form 4-fluorophenethylammonium (F-PEA), the average phenyl ring centroid–centroid distances in the organic layer become shorter with better aligned stacking of perovskite sheets. The impact is enhanced orbital interactions and charge transport across adjacent inorganic layers as well as increased carrier lifetime and reduced trap density. Using a simple perovskite deposition at room temperature without using any additives, we obtained a power conversion efficiency of >13% for (F-PEA)2MA4Pb5I16-based PSCs. In addition, the thermal stability of 2D PSCs based on F-PEA is significantly enhanced compared to those based on PEA.

The performance of three-dimensional (3D) organic-inorganic halide perovskite solar cells (PSCs) can be enhanced through surface treatment with 2D layered perovskites that have efficient charge transport. We maximized hole transport across the layers of a metastable Dion-Jacobson (DJ) 2D perovskite that tuned the orientational arrangements of asymmetric bulky organic molecules. The reduced energy barrier for hole transport increased out-of-plane transport rates by a factor of 4 to 5, and the power conversion efficiency (PCE) for the 2D PSC was 4.9%. With the metastable DJ 2D surface layer, the PCE of three common 3D PSCs was enhanced by approximately 12 to 16% and could reach approximately 24.7%. For a triple-cation–mixed-halide PSC, 90% of the initial PCE was retained after 1000 hours of 1-sun operation at ~40°C in nitrogen.