河大何庭偉AM：同步相變策略！認證PCE達29.66%的四端全鈣礦鈦疊層太陽能電池

發(fā)表時間：2025-07-22 10:16

標圖.png

主要內(nèi)容

河北大學何庭偉教授與楊少鵬教授領銜的科研團隊，在寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池領域取得突破性進展。針對混合鹵素鈣鈦礦材料中普遍存在的鹵素相分離難題——這一制約疊層太陽能電池（TSCs）效率提升的關(guān)鍵瓶頸，團隊提出同步鹵素相調(diào)控新策略，通過分子工程手段實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的晶相精準控制。

01

創(chuàng)新策略：從分子相互作用到薄膜工程

研究團隊基于密度泛函理論（DFT）計算，篩選出1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）作為新型添加劑。與傳統(tǒng)溶劑（DMF、DMSO）相比，DMI展現(xiàn)出兩大獨特優(yōu)勢：

超強配位能力：DMI與PbX?的結(jié)合能較DMF/DMSO提升近40%，形成更穩(wěn)定的[PbX?-DMI]?配位簇；

鹵素無差別錨定：實驗證實DMI對PbI?和PbBr?的吸附自由能差小于0.02 eV，確保了富溴與富碘區(qū)域的均勻成核。

在溶液加工過程中，DMI通過動態(tài)配位競爭機制，在DMF/DMSO揮發(fā)階段形成穩(wěn)定的DMI-PbX?中間相。該中間相在退火時發(fā)生同步相轉(zhuǎn)變，避免了傳統(tǒng)工藝中因溶劑揮發(fā)速率差異導致的鹵素富集，最終獲得晶粒尺寸達1.2 μm、鹵素分布標準差僅0.8%的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。

02

性能突破：效率與穩(wěn)定性的雙重躍升

基于該策略制備的1.76 eV寬禁帶鈣鈦礦電池，在AM1.5G光照下實現(xiàn)21.42%的認證效率（第三方測試值21.18%），較傳統(tǒng)工藝提升15%。其性能優(yōu)勢源于：

載流子動力學優(yōu)化：瞬態(tài)吸收光譜顯示，薄膜的載流子壽命延長至3.2 μs，復合速率降低60%；

缺陷鈍化效應：DMI的氮原子可與未配位Pb2?形成強配位鍵，將缺陷密度從101? cm?3降至101? cm?3量級。

進一步構(gòu)建的四端全鈣鈦礦疊層電池，憑借寬禁帶子電池82%的透光率，實現(xiàn)29.66%的認證效率，刷新了鈣鈦礦疊層器件的世界紀錄。更值得關(guān)注的是，未封裝的器件在1 sun光照下連續(xù)老化3000小時后，仍保持初始效率的90%以上，這得益于：

殘余應變緩解：X射線衍射分析表明，均勻鹵素相使晶格應變從0.15%降至0.03%；

離子遷移抑制：電化學阻抗譜顯示，離子遷移活化能提升至0.65 eV，較傳統(tǒng)器件提高0.2 eV。

03

科學意義與產(chǎn)業(yè)前景

該研究首次揭示了分子添加劑對鈣鈦礦相轉(zhuǎn)變路徑的調(diào)控機制，為解決混合鹵素體系相分離問題提供了普適性方案。相關(guān)成果已申請國家發(fā)明**3項，并與多家光伏企業(yè)達成技術(shù)轉(zhuǎn)化意向。隨著寬禁帶鈣鈦礦技術(shù)的成熟，全鈣鈦礦疊層電池有望在未來3-5年內(nèi)實現(xiàn)30%以上效率的規(guī)模化應用，為全球碳中和目標提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。