AM.競爭結晶調控 單片式疊層電池穩(wěn)定性突破1000h

研究背景

太陽能電池單結器件效率受肖克利-奎伊瑟理論極限約束（約33%）。疊層太陽能電池（TSCs）可突破此限制，理論效率超過45%，其中單片式鈣鈦礦/有機疊層因易于溶液制備及優(yōu)異柔韌性而備受關注。

廣能隙鈣鈦礦（WBG PSCs）面臨的核心挑戰(zhàn)是混合陽離子（FA-Cs）與混合鹵素（Br-I）體系的離子尺寸不匹配和非平衡結晶動力學，導致組分垂直梯度、不均勻相分布、缺陷生成和離子偏析，顯著增加非輻射復合損失。調控結晶過程實現(xiàn)組分均勻化是提高WBG PSCs開路電壓和穩(wěn)定性的關鍵。

南昌大學的陳義旺教授團隊在學術期刊《Advanced Materials》發(fā)表了一項研究。團隊引入了一種磷酸酯衍生物——磷酸三苯酯（Tri-PyPA），用于調控Br/I的競爭性結晶與組分分布。

研究團隊采用的核心策略與成果： 研究團隊利用Tri-PyPA實現(xiàn)相均勻WBG鈣鈦礦的制備。Tri-PyPA作用機制具備三重優(yōu)勢：

1. 抑制富溴相遷移： Tri-PyPA優(yōu)先與PbBr2配位，改變Pb2+與Br-/I-離子間的靜電作用，有效抑制高擴散性（富溴）組分在結晶過程中的快速遷移。

2. 固定陽離子： 通過H•••O=P相互作用與甲脒陽離子（FA+）形成穩(wěn)定的六元氫鍵環(huán)結構，達到固定陽離子的效果。

3. 缺陷鈍化與穩(wěn)定性提升：      Tri-PyPA的π-π共軛能力有助于在（100）晶面上形成緊密的分子覆蓋層，此舉不僅能顯著降低非輻射復合，同時提高了離子遷移的能壘。

通過此優(yōu)化策略，研究團隊制備的高效率單結WBG PSCs：在1.72 eV能隙下效率為21.39%，在1.84 eV能隙下效率為19.64%。另外，未封裝器件展現(xiàn)出1100小時的T95壽命。將此優(yōu)化后的WBG PSCs集成于單片式鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池中，獲得了26.11%的效率（認證值為25.07%），并在連續(xù)操作1000小時后仍保持超過80%的初始效率。這項工作為開發(fā)高效、高穩(wěn)定的疊層太陽能電池提供了重要的材料工程方案。

2. 準費米能級分裂（QFLS）表征分析

QFLS作為評估太陽能電池材料中載流子抽取與非輻射復合損失的重要參數，在本研究中被用于評估Tri-PyPA引入后對能量損失的有效抑制程度。QFLS的大小反映了光生載流子在吸收層中可達到的最大分離電壓，與器件的開路電壓（Voc）提升直接相關。

研究團隊通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光致發(fā)光（PL）技術，結合電學特性測量，對載子動力學進行了深入解析。

QFLS測量與數據解析

論文中提供了控制組與Tri-PyPA處理組鈣鈦礦薄膜的QFLS數據（圖S25）。

• 核心發(fā)現(xiàn): Tri-PyPA處理過的鈣鈦礦薄膜顯示出更強且更均勻的QFLS分布。

• 意義: QFLS分布的增強與均勻化，表明Tri-PyPA有效地抑制了能量損失。這種能量損失的抑制是提高PSCs開路電壓（Voc）的關鍵。

這篇寬帶隙鈣鈦礦研究中，QFLS表征是量化非輻射復合與預測開路電壓潛力的關鍵手段。研究證實，更強且更均勻的QFLS分布是抑制能量損失、提升效率的核心發(fā)現(xiàn)。

Enlitech QFLS-Maper檢測儀精準呼應此高階研究需求：它具備多模組功能，可視化顯示完整的QFLS影像分布，直觀評估薄膜均勻性（對應論文中的PL均勻性分析）。僅需3秒，即可獲得QFLS可視化結果，并在2分鐘內快速測量Pseudo J-V曲線與iVoc，精準量化材料的理論效率極限與非輻射復合損失。

輔助表征與載子動力學解析

1. 非輻射復合抑制： 透過光強度依賴性Voc測量，研究團隊計算出器件的理想因子（n）。Tri-PyPA器件的n值為1.73，顯著低于控制組的2.22。n值接近1表明肖克利-里德-霍爾（Shockley–Read-Hall, SRH）復合被大大抑制。此外，Tri-PyPA器件中還觀察到雙分子復合的減弱。（圖 S24）

   
        

2. 缺陷密度降低： 空間電荷限制電流（SCLC）測量顯示，Tri-PyPA器件的陷阱填充極限電壓（VTFL）從控制組的1.095 V降低到0.794 V。VTFL的降低直接證明了陷阱密度減少，這與非輻射復合受到抑制的結果相一致。（圖 3f）

   
        

3. 載子壽命與抽取： 瞬態(tài)光電壓（TPV）測量顯示，Tri-PyPA器件的電荷復合壽命（τrec）延長至553 μs。瞬態(tài)光電流（TPC）測量則顯示電荷抽取時間（τtra）縮短至0.64 μs。這表明非輻射復合降低，載流子壽命增加，同時電荷傳輸和抽取效率提高。（圖 4d）

   
        

4. PL空間均勻性表征： 超光譜PL成像提供了組分偏析的空間洞察。在控制組薄膜中，持續(xù)雷射激發(fā)會出現(xiàn)接近780 nm的峰值，這是鹵素重新分布的標志。然而，Tri-PyPA薄膜則顯示出均勻的發(fā)射剖面，證明Tri-PyPA有效地減輕了局部鹵素偏析和宏觀相分離。在連續(xù)UV照射下進行的實時PL測量進一步證實，控制組薄膜出現(xiàn)紅移，表明發(fā)生光誘導相分離，而Tri-PyPA薄膜則變化可忽略，驗證了光穩(wěn)定性的提高。（圖 3a）

   

   
        

3. 結論與研究成果

核心策略成果

• 成功引入Tri-PyPA優(yōu)化Br/I競爭性結晶，實現(xiàn)WBG鈣鈦礦組分均勻化，有效降低缺陷密度。（圖 1a,3f）

  
       

• 單結WBG PSCs效率表現(xiàn)（圖 4b）：

  
       

• 1.72       eV能隙：21.39% PCE

• 1.84       eV能隙：19.64% PCE

QFLS核心貢獻

• 提供直接證據鏈，鏈接Tri-PyPA化學和晶體結構優(yōu)化與器件性能提升

• 證明Tri-PyPA有效抑制能量損失

• 結合瞬態(tài)電學和PL數據，共同驗證非輻射復合的顯著降低

穩(wěn)定性表現(xiàn)

• 未封裝WBG PSCs器件：連續(xù)光照下T95壽命達1100小時（圖 4f）

  
       

• 單片式鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池：

• 效率：26.11%（認證值：25.07%）（圖 5d.S32）

  
       

• 長期穩(wěn)定性：連續(xù)運行1000小時后仍保持80%以上初始效率（圖 5h）

文獻參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202511781

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