近期，南方科技大学机械与能源工程系助理教授丘龙斌团队针对宽带隙钙钛矿结晶热力学调控及准二维宽带隙钙钛矿界面量子阱调控及原位聚合稳定性提升策略进行了系统研究并取得一系列研究进展，相继在 Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Journal of Materials Chemistry C 等期刊上发表4篇论文。

近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料因其出色的光电转换效率和可调带隙引起了广泛的关注。结合吸收短波长光的宽带隙钙钛矿子电池和吸收长波长光的窄带隙子电池，可以进一步开发叠层电池。通过减少热能损失，叠层器件能进一步提高光电转换效率，有可能突破 Shockley-Queisser 极限。目前，钙钛矿/硅和钙钛矿/钙钛矿叠层器件的效率纪录已达到34.6%和30.1%。然而，由于结晶控制、缺陷最小化和薄膜均匀性问题，实现高质量的宽带隙钙钛矿薄膜仍然具有挑战性。研究团队研究了使用可去除添加剂来调节宽带隙钙钛矿的结晶过程。这些添加剂具有较高的熔点和沸点，可延迟溶剂蒸发，扩大溶液过程的加工窗口，并促进更可控的成核和结晶。所得钙钛矿薄膜表现出更好的晶体均匀性、更低的缺陷密度、更少的非辐射复合和抑制的卤化物相偏析。这些改进使1.85 eV宽带隙钙钛矿电池的开路电压达到1.370 V。结合窄带隙有机层，团队实现了功率转换效率为23.55%的钙钛矿有机叠层太阳能电池。团队研究结果强调了添加剂工程在改善宽带隙钙钛矿薄膜方面的有效性，为更高效和可扩展的叠层器件铺平了道路。该研究成果以“Regulating crystallization in wide-bandgap perovskite with removable additives for an expanded processing window contributes to efficient tandem solar cells”为题发表在 Journal of Materials Chemistry C 上。

图1 可去除添加剂延缓溶剂蒸发过程示意图及叠层器件性能图

钙钛矿的带隙拓宽主要通过调整I和Br的比例来实现，而增加Br含量以将带隙提高到1.8 eV以上会使结晶变得复杂，由于中间相难以控制的演变而导致薄膜质量下降和缺陷。研究团队提出引入二铵盐作为添加剂来调节钙钛矿薄膜的均匀性和结晶性，二铵盐通过与钙钛矿晶体的氢键作用，减少晶粒内部的空位缺陷，进而提升了钙钛矿薄膜的均匀性和稳定性，抑制1.85 eV钙钛矿取向结晶的低维中间相，从而得到了高效的宽带隙钙钛矿太阳能电池。钙钛矿-有机叠层太阳能电池实现了24.03%的最高功率转换效率和2.108 V的高开路电压，是钙钛矿-有机叠层太阳能电池中最高的开路电压之一。这项工作增强了对钙钛矿结晶过程的理解，并提出了一条制备更高效、更稳定钙钛矿层的重要途径。该研究成果以“Crystallization Thermodynamics Regulation of 1.85 eV Wide-Bandgap Perovskite for Efficient and Stable Perovskite-Organic Tandem Photovoltaics”为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 上。

图2 二铵盐调控结晶过程示意图及叠层器件性能图

叠层器件中所用到的宽带隙钙钛矿易于发生严重的相分离，不利于器件的运行稳定性。准二维钙钛矿以其良好的环境稳定性而闻名，其结构中体积较大的间隔物分子有助于抑制离子迁移并减少非辐射复合，但同时也带来了电荷运输的挑战。目前，此类准二维钙钛矿应用于宽带隙太阳能电池的可能性和潜力很少被探索。研究团队基于甲脒基的准二维宽带隙钙钛矿，提出了界面量子阱调控策略。利用溶剂和长链分子的结合能力不同来调节界面量子阱的分布，调控后界面的量子阱分布更偏向于低维相。基于界面量子阱调控策略，准二维宽带隙（1.70 eV）钙钛矿太阳能电池实现了20.18%的光电转换效率和1.27 V的开路电压。一个太阳照射条件下500小时稳定运行后，仍能保持95%的初始性能。这项工作进一步研究了界面量子阱分布对准二维钙钛矿系统中电荷运输和稳定性的影响，将更多注意力引向低维钙钛矿在宽带隙体系中的应用。该研究成果以“Highly Efficient and Stable Wide-Bandgap Quasi-2D Perovskite Solar Cells via Interfacial Quantum Well Regulation”为题发表在 ACS Nano 上。

图3 准二维钙钛矿界面量子阱调控示意图以及器件性能提升图

目前，稳定性问题仍然是限制钙钛矿太阳能电池商业化应用的主要障碍。钙钛矿材料中的有机阳离子在环境应力（如高温、高湿度）下容易发生逃逸，导致化学计量失衡，从而影响器件的效率和长期稳定性。传统策略如引入氢键或交联聚合物虽有所帮助，但在恶劣的环境条件下保护效果有限，且这些结构主要集中于晶界或钙钛矿薄膜表面，而钙钛矿埋底界面的稳定性尚未得到有效解决。基于此，团队报道了一种仿生“种子生根”策略，通过利用巯基功能化粒子作为“种子”，并在钙钛矿层底部引发2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯进行原位聚合，借此提高钙钛矿的稳定性。这一策略类似于种子在土壤中扎根以防止水土流失，有效地抑制了钙钛矿中有机阳离子的逃逸，从而显著提升了钙钛矿太阳能组件的效率和稳定性。这一策略为提升钙钛矿太阳能电池的性能和耐久性提供了新的思路，并为其商业化应用奠定了基础。该研究成果以“In-situ Polymerization Induced Seed-Root Anchoring Structure for Enhancing Stability and Efficiency in Perovskite Solar Modules”发表在 Angewandte Chemie International Edition 上。

图4 种子生根锚定策略示意图及埋底界面扫描电镜图

丘龙斌为以上系列研究工作论文通讯作者，南科大为论文第一单位，第一作者分别为南方科技大学博士研究生谢观水、南方科技大学硕士研究生黄暖珊、南方科技大学-哈尔滨工业大学联合培养博士研究生李思博。以上研究工作得到了国家自然科学基金项目、广东省科技计划项目、深圳市科技创新计划项目等基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D4TC05093B

https://doi.org/10.1002/anie.202501764

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01589

https://doi.org/10.1002/anie.202421174

新闻来源：南科大新闻官网

供稿：机械与能源工程系

通讯员：李新月

编辑：曾昱雯