江西理工大學團隊Advanced Energy Materials：底部錨定實現(xiàn)陽離子均勻分布與無應變結晶，打造高效穩(wěn)定倒置鈣鈦礦太陽能電池

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【文章信息】

Bottom Anchoring Enables Uniform Cations and Strain‐Free Crystallization for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells

第一作者：龔程

通訊作者：許梁*

單位：江西理工大學能源與機械工程學院/江西省動力電池與儲能材料重點實驗室

【研究背景】

金屬鹵化物鈣鈦礦因其高光吸收系數(shù)、長載流子擴散長度、可調帶隙以及溶液法加工等優(yōu)勢，被認為是最有希望實現(xiàn)低成本、高效率的新一代太陽能電池材料。近年來，單結鈣鈦礦太陽能電池的認證效率已經(jīng)超過27%，逐步接近傳統(tǒng)硅基電池的理論極限。在眾多材料體系中，混合陽離子CsxFA1-xPbI3由于在能級匹配、相穩(wěn)定性和器件效率之間取得了良好平衡，被視為推動鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的重要候選。

然而，在實際制備過程中，Cs+和FA+在薄膜垂直方向上的分布往往并不均勻：Cs+更容易與[PbI3]-框架形成更強的相互作用，傾向于在靠近電極一側的“埋底界面”富集，而FA+則更多分布在薄膜表面區(qū)域。這樣的陽離子梯度會導致局域結構畸變和相分離，誘導非理想晶粒生長和缺陷富集，加速器件性能衰退。與此同時，鈣鈦礦成膜過程通常伴隨快速結晶以及與剛性襯底之間的熱膨脹失配，容易在薄膜內部積累拉伸應力，產(chǎn)生殘余應變，進一步惡化界面能級對接與器件長期穩(wěn)定性。因此，如何在一個統(tǒng)一的設計框架下，同時實現(xiàn)陽離子分布均勻化、結晶動力學精細調控與殘余應力有效釋放，是Cs/FA混陽離子高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池走向實際應用必須解決的關鍵科學問題。

【文章簡介】

針對上述難題，江西理工大學許梁教授團隊聯(lián)合提出了一種基于六氟環(huán)三磷腈(Hexafluorocyclotriphosphazene，簡稱HFPN)的“底部錨定”策略。HFPN分子具有高度電負性的多氟結構，可在鈣鈦礦薄膜靠近底部界面區(qū)域，通過多位點氫鍵和配位作用選擇性錨定FA+，重構Cs+/FA+在膜厚方向上的分布，實現(xiàn)A位陽離子真正意義上的“均勻化”。在此基礎上，HFPN通過調控前驅體膠體結構和結晶路徑，使鈣鈦礦薄膜在成核和晶體生長階段更加有序，最終獲得結晶度高、晶粒大、缺陷少且?guī)缀鯚o殘余應變的高質量薄膜。

得益于陽離子分布、結晶動力學和應變工程三者的協(xié)同優(yōu)化，團隊在反式(p–i–n)器件結構下實現(xiàn)了小面積(0.09 cm2)器件26.55%的效率，以及1.0 cm2大面積器件24.67%的效率。在長時光照和高溫高濕條件下，器件仍能保持接近初始狀態(tài)的輸出性能，展現(xiàn)出極具競爭力的長期運行穩(wěn)定性，為高性能反式鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供了新思路。

【本文要點】

要點一：底部錨定分子HFPN的設計理念

本工作引入高度電負性的六氟環(huán)三磷腈(HFPN)作為“底部錨定”分子，HFPN通過多氟結構與FA+上–NH–基團形成氫鍵，并與Pb2+發(fā)生配位，精準調控A位陽離子和無機骨架之間的相互作用。

要點二：實現(xiàn)垂直方向陽離子均勻分布與應變釋放

配合XRD與應變分析可看到，薄膜內部的殘余拉伸應力得到有效釋放，整體由拉伸態(tài)轉變?yōu)榻咏盁o應變態(tài)”。這種成分與應變的協(xié)同調控為高壓、高穩(wěn)定器件提供了結構保障。

要點三：重構結晶動力學，獲得高質量大晶粒薄膜

HFPN的引入顯著改變了前驅體溶液中的膠體結構，使膠體粒徑更大、更集中，有利于可控成核。原位表征表明，體系在HFPN作用下成核時間提前，但晶體生長過程更加平緩，形成“快成核、穩(wěn)生長”的理想結晶路徑。由此可以有效抑制δ相和殘余PbI2等不利雜相的生成，顯著提升薄膜的相純度與織構取向。最終獲得晶粒尺寸更大、表面更平整致密的高質量CsxFA1-xPbI3薄膜。

要點四：降低缺陷與增強載流子輸運

經(jīng)過HFPN調控后的鈣鈦礦薄膜結晶度更高、表面粗糙度更低，界面和體相缺陷得到明顯抑制。PL與TRPL結果顯示，薄膜非輻射復合顯著減少，平均載流子壽命明顯延長，頂部與底部激發(fā)的發(fā)光峰幾乎重合，印證了A位陽離子的均勻環(huán)境。SCLC測試表明陷阱態(tài)密度大幅下降，DFT計算也顯示關鍵缺陷的形成能被明顯抬升。

要點五：反式MA/Br-free器件的高效率與穩(wěn)定性表現(xiàn)

在ITO/NiOx/4PACz/鈣鈦礦/PCBM/BCP/Ag反式結構中，HFPN策略幫助器件同時獲得高開路電壓、高短路電流密度和高填充因子。小面積(0.09 cm2)器件實現(xiàn)26%以上的功率轉換效率，大面積(1.0 cm2)器件效率同樣超過24%。在持續(xù)光照MPPT測試和85 ℃、85% RH濕熱老化等嚴苛工況下，器件仍能保持約95%左右的初始效率。該工作實現(xiàn)了反式MA/Br-free鈣鈦礦電池在高效率與高穩(wěn)定性之間的兼顧，為未來產(chǎn)業(yè)化提供了可行路徑。

【文章鏈接】

Bottom Anchoring Enables Uniform Cations and Strain‐Free Crystallization for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202505163

標簽： 太陽能電池