蘇大李耀文AM：寬禁帶鈣鈦礦中的選擇性結(jié)晶延遲策略助力平方厘米級鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池實現(xiàn)初始均勻相

發(fā)表時間：2025-08-06 11:22

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主要內(nèi)容

在當(dāng)今全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，可再生能源的開發(fā)與利用已成為推動可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵力量。太陽能，作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著愈發(fā)重要的地位。高性能鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池（Tandem Solar Cells, TSCs）憑借其獨特的疊層結(jié)構(gòu)，能夠充分吸收不同波段的光子，突破單一材料太陽能電池的理論效率極限，被視為下一代太陽能利用技術(shù)的有力競爭者，有望在分布式能源、建筑一體化光伏等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

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突破瓶頸：選擇性延遲結(jié)晶策略的提出

然而，混合鹵化物寬禁帶（Wide - Bandgap, WBG）鈣鈦礦材料在光照下易發(fā)生相分離的問題，成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。尤其是寬禁帶鈣鈦礦材料中初始不均勻的鹵化物相分布，會進(jìn)一步加劇在工作應(yīng)力條件（如光照、溫度變化等）下的相分離現(xiàn)象，導(dǎo)致電池性能迅速衰減，極大地阻礙了需要高相均勻性的疊層太陽能電池實現(xiàn)規(guī)?；⒎€(wěn)定化的應(yīng)用。

在此嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，蘇州大學(xué)李耀文教授和陳煒杰教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊開展了深入且富有創(chuàng)新性的研究，提出了一種全新的選擇性延遲結(jié)晶策略。相較于傳統(tǒng)通過控制溫度、溶劑揮發(fā)速度等宏觀條件來調(diào)控結(jié)晶的方法，該策略從分子層面入手，通過精準(zhǔn)引入功能添加劑，實現(xiàn)了對結(jié)晶過程的微觀調(diào)控，能夠更有效地解決初始鹵化物相分布不均勻的問題。

具體而言，研究選用了功能添加劑3 - 氨基 - 5 - 氟苯甲酰胺（簡稱AFBA）。AFBA分子中的 - NH?基團(tuán)電子云密度較低，這使得它與溴離子（Br?）的結(jié)合親和力顯著高于碘離子（I?）。基于這一獨特的分子特性，AFBA能夠選擇性地與溴離子相互作用，延遲溴化物的快速結(jié)晶過程。在結(jié)晶初期，AFBA分子吸附在溴化物晶核表面，阻礙其快速生長和聚集，從而避免了局部溴化物濃度過高導(dǎo)致的相分離。隨著時間的推移，碘化物和溴化物在AFBA的調(diào)控下實現(xiàn)協(xié)同結(jié)晶，最終促使鹵化物在整個薄膜中實現(xiàn)均勻分布，為制備高性能的疊層太陽能電池奠定了堅實基礎(chǔ)。

02

成果顯著：高效穩(wěn)定電池的性能展現(xiàn)

得益于這種均勻的初始鹵化物相分布，所制備的薄膜在工作應(yīng)力條件下展現(xiàn)出**的相穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，平方厘米級寬禁帶鈣鈦礦前電池實現(xiàn)了高達(dá)18.61%的光電轉(zhuǎn)換效率。與同類研究相比，部分研究中的寬禁帶鈣鈦礦前電池效率多在16% - 17%之間，本研究成果有了顯著提升。當(dāng)將其與有機子電池進(jìn)行疊層時，平方厘米級鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池更是展現(xiàn)出25.21%的顯著效率，這一效率在目前公開的同類研究成果中處于領(lǐng)先水平，接近理論效率極限。

并且，在0.062至2.000平方厘米的面積范圍內(nèi)，該疊層太陽能電池的效率對尺寸的依賴性較弱，表現(xiàn)出良好的面積適應(yīng)性。這意味著在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的場景需求，靈活制備不同尺寸的電池，而無需擔(dān)心效率的大幅下降。同時，該疊層太陽能電池的工作壽命得到顯著延長，T??（效率衰減至初始值90%所需時間）長達(dá)1500小時。相比之下，同類產(chǎn)品平均T??多在500 - 1000小時之間，本研究成果彰顯出其優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，為疊層太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了重要保障。

從微觀機制層面進(jìn)一步探究，團(tuán)隊提出的選擇性延遲結(jié)晶策略中，酰胺氨基與溴離子之間強烈的分子偶極 - 離子庫侖力發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這種相互作用可有效延緩溴化物的快速非均勻結(jié)晶，進(jìn)而制備出具有均勻鹵化物相分布和高準(zhǔn)費米能級劈裂（QFLS）值的大面積薄膜。所得薄膜的相穩(wěn)定性極為出色，經(jīng)長時間光照后，QFLS值變化或衰減幾乎可以忽略不計。以面積為1.004平方厘米的鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池為例，其實現(xiàn)了25.21%的**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），且工作壽命顯著延長，T??同樣達(dá)到1500小時，進(jìn)一步驗證了該策略的可靠性和有效性。

03

創(chuàng)新拓展：電池與器件串聯(lián)的新應(yīng)用

此外，研究團(tuán)隊還創(chuàng)新性地將鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池與電致變色器件串聯(lián)。通過這一巧妙設(shè)計，實現(xiàn)了對疊層太陽能電池開路電壓（Voc）波動與顏色變化的動態(tài)關(guān)聯(lián)。當(dāng)疊層太陽能電池的性能發(fā)生變化時，如開路電壓降低，電致變色器件的顏色也會相應(yīng)改變。

這一成果不僅為深入探究疊層太陽能電池的降解路徑提供了直觀有效的手段，科研人員可以通過觀察顏色變化，快速定位電池性能下降的原因，從而有針對性地進(jìn)行改進(jìn)。更為其商業(yè)化應(yīng)用的可行性評估提供了全新且寶貴的見解，有助于吸引產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和投資。

未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步探索如何優(yōu)化材料體系和器件結(jié)構(gòu)，提高疊層太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，同時降低成本。例如，尋找更環(huán)保、更經(jīng)濟的功能添加劑，開發(fā)新型的封裝技術(shù)以更好地保護(hù)電池免受外界環(huán)境的影響等。此外，團(tuán)隊還將加強與產(chǎn)業(yè)界的合作，推動鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

文獻(xiàn)信息

Selective Crystallization Delay in Wide-Bandgap Perovskites Enables Initial Homogeneous Phase for Square Centimeter Perovskite/Organic Tandem Solar Cells

Jialei Zheng, Weijie Chen, Ziyue Wang, Shuaiqing Kang, Pengpeng Dong, Yue Yin, Haiyang Chen, Jianlei Cao, Jixiang Yuan, Guiying Xu, Jiacheng Xu, Yaowen Li

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510437

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