苏州大学／四川大学，AM：增强宽带隙钙钛矿中的光伏择优取向以实现高效的全钙钛矿叠层太阳能电池

　　增强宽带隙钙钛矿中的光伏择优取向以实现高效的全钙钛矿叠层太阳能电池第一作者：吴章豪，赵玥通讯作者：王长擂*，马天舒*，赵德威*，李孝峰*单位：苏州大学，四川大学

研究背景

　　全钙钛矿叠层太阳能电池(TSCs)由混合卤素宽带隙(WBG, 1.7-1.9 eV)顶部子电池和窄带隙(LBG, 1.2-1.3 eV)混合锡铅(Sn-Pb)底部子电池组成，具有比单结钙钛矿太阳能电池(PSCs)更高的功率转换效率(PCE)。但是，由于溴、碘元素的结晶速率差异，导致宽带隙钙钛矿薄膜的结晶质量差，严重影响整体器件的效率和稳定性。本篇文章引入了烟酰胺及其衍生物来调节钙钛矿的结晶并钝化缺陷。其中异烟酰胺（IA）优化了钙钛矿的最佳结晶取向面（100）面，同时降低了陷阱密度和能级偏移，进一步提高WBG PSC和全钙钛矿TSC的性能。这项工作为未来的研究提供了一种简单的策略，有助于通过控制钙钛矿结晶取向制备高效和稳定的钙钛矿单结和叠层器件。

文章简介

　　近日，来自苏州大学的王长擂教授、马天舒博士等与四川大学赵德威教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Enhancing Photovoltaically Preferred Orientation in Wide-Bandgap Perovskite for Efficient All-Perovskite Tandem Solar Cells”的文章。该文章利用烟酰胺及其衍生物添加剂修饰钙钛矿薄膜结晶，制备了高效的宽带隙钙钛矿太阳能电池，效率高达19.34%，VOC高达1.342 V，使全钙钛矿叠层太阳能电池的效率达28.53%（认证效率28.27%）。

图1. 烟酰胺及其衍生物的空间构型及与宽带隙钙钛矿之间的相互作用。

本文要点

　　要点一：添加剂分子对结晶取向的影响具有孤对电子的强配位官能团材料是良好的宽带隙钙钛矿添加剂材料，例如氨基，羰基，羧基等。然而，不同空间构型的官能团与钙钛矿的作用力强弱不同。因此，本篇文章利用多功能烟酰胺衍生物修饰宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG PSC），通过羰基、氨基、吡啶等不同功能基团对光伏择优取向和光电性能进行调控晶体生长。晶体生长通常倾向于最稳定的表面，（100）平面是最协调和稳定的，因为它的原子键合更紧密，另外表面张力影响临界成核能和成核速率，较低的表面张力有利于薄膜形成初期的成核和生长。异烟酸（IA）分子因其独特的平面空间构型同时提高了吸附能和缺陷形成能，而吸附过程和缺陷形成过程都改变了表面能态，促进了黑相钙钛矿（100）晶面取向的优先形成。因此，IA处理可提高钙钛矿（100）晶体取向，降低陷阱密度，并实现良好的能带对齐。此外，在平行吸附构型中，官能团之间较小的倾斜度也增强了电子在吡啶环内的传递，促进了载流子传输。

　　要点二：异烟酰胺对钙钛矿薄膜的影响及相关表征从X射线衍射（XRD）测试可以看出，IA增强了钙钛矿薄膜的结晶度并且改变了择优结晶取向，由原本的（110）面转变为光电特性更好的（100）面。进一步通过掠入射X射线衍射（GIWAXS）测试，IA修饰的钙钛矿薄膜倾向于面外生长，更有利于电荷传输。基于对薄膜的光致发光(PL)和瞬态光致发光(TRPL)衰减测试，IA样品的PL强度最强，说明薄膜体内的辐射复合增强， TRPL结果证实了薄膜的载流子寿命从252 ns延长到了407 ns，改善了钙钛矿的薄膜质量并抑制了非辐射复合。进一步通过温度控制的光致发光光谱（Temperature-dependent PL）测试，对照样品和IA样品拟合的激子结合能分别为44.3和38.5 meV，说明IA促进了激子的分离，产生更多自由移动的电子。基于对薄膜的X射线能谱(XPS)测试，IA会与钙钛矿薄膜内未配位的铅离子结合，有效钝化了钙钛矿内部的卤素空位，阻碍离子迁移。通过紫外光电子能谱（UPS）测量，发现IA调整了钙钛矿的导价带，减小了钙钛矿与空穴传输层间的能级偏移，电荷传输能力得到改善。

　　要点三：异烟酰胺处理对缺陷的抑制和对器件性能的提高IA处理的钙钛矿膜具有更均匀的形貌和更明亮的光致发光图谱，表明非辐射复合大大减少，相分离得到抑制。通过在410 nm连续波长激光照射下进行随时间变化的PL测量，证明了IA处理的钙钛矿膜在高功率激光照射下，相稳定性得到了很大的提高。单结WBG PSCs获得了1.342 V的最佳VOC (Eg = 1.77 eV), 有效降低了开压损耗。IA修饰PSCs的JSC达到17.39 mA cm-2，最佳PCE为19.34%。通过对器件的载流子动力学研究，测量了不同PSCs对VOC和JSC的光强依赖性，证明IA修饰的器件具有最小的非辐射复合，相应的暗电流测试同样证明了IA修饰的WBG PSCs抑制了漏电流，降低了电荷复合损耗，从而保证了较高的VOC和FF，电化学阻抗谱(EIS)和空间电荷限制电流(SCLC)测量也表明了IA处理的钙钛矿器件界面缺陷被显著抑制，并且由于缺陷的减少和良好的能级排列，最大程度降低了电荷复合，提高了单结和叠层器件的性能，最佳IA修饰的TSC的效率为28.53%，VOC为2.131 V, JSC为16.21 mA cm-2, FF为82.6%。

　　要点四：异烟酰胺处理对单结、叠层器件稳定性的提高IA添加剂显著提高了单结宽带隙和全钙钛矿器件的稳定性。基于IA的WBG PSC在持续光照700小时后保持了初始PCE的90%。在65℃热应力300 h下，经过IA修饰的WBG PSC维持其初始效率的88%。在恒定标准太阳光照600 h下，基于IA的TSC保持了初始效率的90%。

　　要点五：前瞻当前制备的高效WBG PSCs的优化策略主要集中在抑制碘/溴相分离，消除体内和界面处的有害缺陷以及开发新的自组装单分子层等几个方面。值得注意的是，WBG钙钛矿的择优取向尚未得到充分探索，通过添加剂工程促进钙钛矿的择优取向生长，对钙钛矿膜的生长动力学具有积极作用，进而调节体内和界面的非辐射复合，以进一步提高WBG PSC和全钙钛矿TSC的性能，这也是未来研究的一个潜在方向，可以实现具有稳定、高性能的钙钛矿太阳能电池，以加速其在商业市场中的应用。

文章链接

　　Enhancing photovoltaically preferred orientation in wide-bandgap perovskite for efficient all-perovskite tandem solar cellshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412943

通讯作者简介

　　王长擂教授简介：苏州大学教授，博士生导师，光电科学与工程学院副院长，入选教育部国家级重大人才工程青年项目、中国科协青年人才托举工程，获江苏省“双创博士”、苏州大学“仲英青年学者”、苏州大学光电学院优秀青年学者等荣誉。2018年毕业于武汉大学，曾在美国托莱多大学鄢炎发（Yanfa Yan）教授课题组联合培养3年，2019年1月入职苏州大学，承担科技部重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金委和江苏省自然科学基金等6项课题。作为第一作者/通讯作者，累计发表Nature Energy（3篇）、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等国际期刊论文40余篇，总计发表期刊论文100余篇，论文总引用近万次。做邀请报告30余次，担任Nature Energy、Advanced Materials等30余个期刊评审专家。主要研究高效钙钛矿单结及叠层太阳能电池、光电探测器、可见光通信等。

　　马天舒博士简介：苏州大学优秀青年学者。2024年博士毕业于苏州大学，获工学博士学位。2024年9月入职苏州大学光电科学与工程学院。主要从事光电转换器件如钙钛矿光伏的物理机制研究和器件设计。至今以作者论文发表在Advanced Materials，Advanced Functional Materials等高水平SCI期刊。同时合作在Nature Energy、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Advanced Optical Materials等SCI期刊上发表论文二十多篇，申请发明专利5项。攻读博士学位期间荣获国家奖学金，并多次获苏州大学荣誉奖学金；参与国家重点研发计划(国际合作)等多项科研项目。主持江苏省“研究生科研与实践创新计划项目”一项，已结题。

　　赵德威教授简介：四川大学教授，博士生导师，曾入选2019年国家级青年人才、四川省学术和技术带头人、四川省杰出青年科技人才、四川省青年人才引进计划，曾获德国教育科技部“绿色精英奖(Green Talent)”和国家留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”等。2022年入选科睿唯安“高被引科学家”和爱思唯尔中国高被引学者。主持国家重点研发计划课题、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”项目、国家自然科学基金面上项目、四川省杰出青年科技人才项目等。2022年指导学生团队荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。课题组长期致力于研究高性能全钙钛矿叠层太阳能电池关键光伏材料与器件机理相关的基础科学与关键技术问题。系统探究了宽、窄带隙钙钛矿薄膜结晶动力学过程，开发高效电荷传输材料与界面材料、钙钛矿光伏结晶退火与缺陷钝化等新方法、新思路，设计优化了新型中间连接层（也称隧穿结或复合结）并阐明了载流子复合机制等。研制出世界纪录效率的1cm2全钙钛矿叠层电池并两次被业界国际权威的《Solar cell efficiency tables》收录。成果入选2023年度“四川十大科学进展”。发表论文160余篇，包括Nature 1篇、Science 3篇、Nature Energy 4篇、Advanced Materials 5篇、Energy Environ. Sci. 5篇、Joule 2篇等。

第一作者简介

　　吴章豪：苏州大学光电科学与工程学院硕士生，师从王长擂教授。主要研究方向为宽带隙钙钛矿太阳能电池及全钙钛矿叠层太阳能电池的机理研究和制备。

　　赵玥：苏州大学光电科学与工程学院博士生，师从王长擂教授。主要研究方向为宽带隙钙钛矿太阳能电池及其在全钙钛矿叠层太阳能电池的应用。