武大柯維俊Sci Adv：PCE 20.35%！“鎖定”2H中間相，成就高效寬禁帶全鈣鈦礦疊層太陽能電池

發(fā)表時間：2025-08-25 09:48

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主要內(nèi)容

在能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的時代背景下，太陽能作為一種清潔、可再生的能源，受到了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。其中，鈣鈦礦太陽能電池憑借其高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本制備等優(yōu)勢，成為了太陽能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，在大規(guī)模刮刀涂布工藝中，寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池卻存在顯著的電壓虧損問題，這一問題主要由嚴(yán)重的鹵化物相分離現(xiàn)象所致，進(jìn)而導(dǎo)致高效率全鈣鈦礦疊層太陽能電池（TSCs）的規(guī)?；苽涿媾R嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

首先，武漢大學(xué)柯維俊教授、方國家教授、鄭文文教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)針對這一難題展開深入研究。他們創(chuàng)新性地引入了4 - 氨基芐基膦酸作為功能性“抑制2H相”添加劑。這里所說的“2H相”是一種富碘結(jié)構(gòu)，在鈣鈦礦結(jié)晶過程中，它不利于形成均勻的相結(jié)構(gòu)；而“3C相”則是我們期望形成的結(jié)構(gòu)，它能保證鈣鈦礦薄膜具有均勻的相結(jié)構(gòu)和鹵化物分布。得益于這一創(chuàng)新舉措，該團(tuán)隊(duì)利用刮刀涂布技術(shù)制備的帶隙為1.77電子伏特的鈣鈦礦太陽能電池，在約0.07平方厘米的光孔面積下，實(shí)現(xiàn)了20.35%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）（認(rèn)證值為19.72%），開路電壓高達(dá)1.35伏特；而面積為1.02平方厘米的器件也實(shí)現(xiàn)了19.00%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，相應(yīng)的刮刀涂布制備的兩端和四端全鈣鈦礦疊層太陽能電池更是分別取得了27.34%和28.46%的高光電轉(zhuǎn)換效率。

其次，團(tuán)隊(duì)深入探究了刮刀涂布過程中相分離的成因，并給出了切實(shí)可行的緩解策略。他們發(fā)現(xiàn)，由于氣刀和加熱板這兩個雙誘導(dǎo)因素的作用，刮刀涂布制備的寬禁帶（WBG）薄膜呈現(xiàn)出雙向結(jié)晶特性。這種特性導(dǎo)致薄膜的埋底面和頂面均出現(xiàn)嚴(yán)重的相分離現(xiàn)象，進(jìn)而使器件的開路電壓（Voc）出現(xiàn)顯著損失。通過深入研究刮刀涂布過程中2H相向3C相的相變過程，團(tuán)隊(duì)闡明了刮刀涂布制備的寬禁帶鈣鈦礦中相分離的潛在機(jī)制：富含碘（I）的2H相因各相間動力學(xué)差異，導(dǎo)致初始鹵化物分布不均；而富含溴（Br）的相則在加熱板和氣刀驅(qū)動的快速結(jié)晶作用下，聚集在薄膜的頂部和底部表面。

為解決上述問題，團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入了4 - 氨基芐基膦酸（ABP）。ABP分子可錨定在鈣鈦礦八面體的晶面上，有效抑制面共享型2H - FAPbI?（2H相的一種具體形式）的形成，從而實(shí)現(xiàn)均勻的鹵化物分布。

最終，這一策略取得了顯著成效。令人鼓舞的是，團(tuán)隊(duì)通過刮刀涂布制備的帶隙為1.77電子伏特的寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20.35%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）（認(rèn)證值為19.72%），且開路電壓損失極低，僅為0.42電子伏特。此外，經(jīng)ABP處理的器件在連續(xù)光照778小時后，仍能保持初始光電轉(zhuǎn)換效率的90%，與對照器件相比，穩(wěn)定性提高了三倍。

不僅如此，光孔面積為1.02平方厘米的刮刀涂布制備的寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池也實(shí)現(xiàn)了19.00%的顯著光電轉(zhuǎn)換效率，充分凸顯了其規(guī)模化制備的潛力。通過集成刮刀涂布制備的窄禁帶（NBG）子電池，團(tuán)隊(duì)制備的刮刀涂布兩端全鈣鈦礦疊層太陽能電池和四端疊層太陽能電池分別實(shí)現(xiàn)了27.34%和28.46%的高光電轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，武漢大學(xué)柯維俊教授、方國家教授、鄭文文教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)不僅查明并解決了相分離的根本原因，還顯著提升了刮刀涂布制備的寬禁帶鈣鈦礦的光電性能和穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的大規(guī)模疊層太陽能電池邁出了重要一步。

文獻(xiàn)信息

Imprisoning 2H intermediate phases in blade-coated wide-bandgap perovskites for efficient all-perovskite tandem solar cells

Dexin Pu , Xuhao Zhang, Hongyi Fang, Weichen Shen, Guoyi Chen , Weiqing Chen, Peng Jia, Guang Li, Hongling Guan , Lishuai Huang, Yuan Zhou, Jiahao Wang, Wenwen Zheng , Weiwei Meng, Guojia Fang , and Weijun Ke

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady3621