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北航&國(guó)納&中石大AM：鉛衍生物前驅(qū)體工程破解鈣鈦礦“鹵素偏析”難題，器件效率21.3%+穩(wěn)定性1500h+機(jī)械耐受雙突破

發(fā)表時(shí)間：2025-04-28 10:55

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主要內(nèi)容：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）以其**的光電轉(zhuǎn)換性能與溶液可加工性，成為光伏領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)其**效率，精準(zhǔn)調(diào)控帶隙（E_g）至關(guān)重要，而混合鹵素策略雖被廣泛應(yīng)用，卻易引發(fā)相分離現(xiàn)象，導(dǎo)致效率衰減與長(zhǎng)期穩(wěn)定性下降。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院張淵教授團(tuán)隊(duì)、國(guó)家納米科學(xué)中心周惠瓊教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)石油大學(xué)（華東）材料科學(xué)與工程學(xué)院李彥勛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻克難關(guān)，提出了一種創(chuàng)新的前驅(qū)體設(shè)計(jì)策略，通過(guò)調(diào)控鹵素分布均勻性，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦材料相穩(wěn)定性與機(jī)械性能的協(xié)同提升。

研究團(tuán)隊(duì)基于鉛衍生物nPbI?:1PbX_A（X_A為特定陰離子基團(tuán)）構(gòu)建了高效前驅(qū)體體系，通過(guò)調(diào)控PbI?與PbBr?在前驅(qū)體中的結(jié)合偏好及強(qiáng)度，誘導(dǎo)形成穩(wěn)定的-I-Br-I-Br-鏈狀結(jié)構(gòu)，有效抑制了鈣鈦礦薄膜中的鹵素相分離。

基于此策略，團(tuán)隊(duì)成功制備了一系列寬帶隙混合鹵素鈣鈦礦材料，其中基于CsPbI?.?Br?.?（E_g=1.74 eV）與Cs?.?FA?.?I?.?Br?.?（E_g=1.77 eV）的器件效率分別提升至21.3%與20.3%，且展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性——在**功率點(diǎn)（MPP）持續(xù)光照1500小時(shí)后，效率保持率仍高于90%。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鹵素分布均勻性與鈣鈦礦材料的機(jī)械耐受性存在顯著正相關(guān)：均勻的鹵素分布可增強(qiáng)晶格穩(wěn)定性，提升材料對(duì)壓縮與彎曲應(yīng)力的抵抗能力。深度依賴(lài)的光致發(fā)光光譜（PL）與飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）分析表明，采用10PbI?:1PbBA復(fù)合前驅(qū)體（經(jīng)嚴(yán)格篩選確定為**配比）制備的CsPbI?.?Br?.?薄膜，其鹵素分布均勻性較傳統(tǒng)方法提升顯著。結(jié)合深度分辨形貌表征與壓縮耐受性理論計(jì)算，團(tuán)隊(duì)揭示了鹵素均勻化與力學(xué)性能提升的內(nèi)在關(guān)聯(lián)：均勻的鹵素環(huán)境可降低晶界缺陷密度，抑制應(yīng)力集中，從而增強(qiáng)材料的機(jī)械完整性。

基于上述發(fā)現(xiàn)，采用10PbI?:1PbBA前驅(qū)體的CsPbI?.?Br?.?（E_g=1.74 eV）與FA?.?Cs?.?PbI?.?Br?.?（E_g=1.77 eV）器件效率分別達(dá)21.34%與20.32%，且在1500小時(shí)MPP持續(xù)光照下效率衰減<10%，充分驗(yàn)證了該策略在提升光電性能與穩(wěn)定性方面的雙重優(yōu)勢(shì)。

從應(yīng)用前景看，本研究提出的鹵素均勻化策略為解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及機(jī)械可靠性難題提供了新范式，有望推動(dòng)其在柔性電子、建筑一體化光伏（BIPV）及空間能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息：

Lead Derivative-Based Precursor Engineering Enables Halogen-Uniform Perovskite Solar Cells with Enhanced Stability and Mechanical Tolerance

Yaochang Yue, Weichao Zhang, Rongshen Yang, Yongqing Wang, Xin Bian, Chao Qu, Shengli Yue, Shilin Li, Wanfei Shi, Yanxun Li, Huiqiong Zhou, Yuan Zhang

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502277