必威betway西汉姆王行柱&张伟川团队AEM：宽带隙钙钛矿太阳能电池的挑战与优化策略综

02 研究背景

随着单结钙钛矿太阳能电池效率逼近Shockley–Queisser极限（≈33%），叠层太阳能电池（TSCs）成为突破效率瓶颈的重要路径。其中，宽带隙钙钛矿（带隙>1.65 eV）作为顶层电池，与硅、CIGS或有机电池等窄带隙底电池组合，可实现光谱互补，提升整体光电转换效率。当前，钙钛矿/硅叠层器件已实现34.85%的认证效率，展现出巨大的产业化潜力。然而，WBG钙钛矿在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，混合卤素（如I⁻/Br⁻）体系在光照下易发生相分离，形成富I和富Br区域，导致载流子复合增强、Voc损失严重。其次，能级失配问题普遍存在于钙钛矿与传输层之间，阻碍载流子高效提取。此外，高Br含量体系结晶速率快，易形成多孔、粗糙薄膜，增加缺陷密度，降低载流子迁移率与器件稳定性。因此，如何系统性地解决这些问题，成为推动WBG PSCs发展的关键科学问题。

03 研究进展

3.1 相分离机制与调控策略3.1.1 相分离的起源与演化机制WBG钙钛矿中混合卤素体系在光照下易发生光诱导相分离，形成富I与富Br相，导致带隙不均、载流子复合增强。研究表明，光生载流子诱导晶格极化，形成极化子（polaron），进而驱动I⁻迁移，形成I富集区。该过程具有可逆性，但在器件工作状态下会显著降低Voc与Jsc。3.1.2 抑制相分离的策略

• 成分调控：引入Cs⁺、Rb⁺等A位阳离子可增强晶格稳定性，抑制I⁻迁移。

• 添加剂工程：如Yb³⁺、SCN⁻、Cl⁻等可与Pb²⁺或卤素离子形成强配位，抑制离子迁移。

• 表面钝化处理：采用PEACl、EDABr₂等二维钝化剂，可有效抑制表面缺陷与相分离。

3.2 界面工程：从 buried 到 top 界面协同优化3.2.1 埋底界面（Buried Interface）优化

• HTL材料选择：NiOx因其高迁移率与良好能级匹配被广泛应用，但其表面缺陷较多。通过引入SAM（如Me-4PACz、2PACz）可显著提升界面质量。

• SAM结构优化：如4PADCB通过引入空间位阻抑制分子聚集，提升成膜均匀性与界面钝化效果。

• 复合HTL策略：如NiOx/Me-4PACz双层结构，兼顾导电性与界面缺陷钝化，提升Voc与FF。

3.2.2 顶部界面（Top Interface）调控

• ETL优化：如采用ICBA替代C60，提升LUMO能级匹配，减少能量损失。

• 表面钝化：采用AlOx原子层沉积、2D钙钛矿覆盖层（如PEABr、TEACl）等策略，有效降低表面缺陷密度，抑制非辐射复合。

• 双功能配体：如EDA、CF₃-PEA等可协同钝化Pb²⁺与A位空位，实现多缺陷协同抑制。

3.3 添加剂工程：从离子到分子的多尺度调控

• 无机离子：K⁺、Rb⁺可抑制卤素迁移，SCN⁻、F⁻可钝化晶格缺陷。

• 有机分子：如t-FA、BTFIB、AIDCN等通过官能团与晶格形成氢键或配位作用，调控结晶动力学，抑制缺陷形成。

• 多功能添加剂：如Yb(TFSI)₃、ThFAI等兼具相稳定与缺陷钝化功能，显著提升器件稳定性。

3.4 成分工程：A位与X位协同优化

• A位调控：Cs⁺、MA⁺、FA⁺、DMA⁺、MDA²⁺等阳离子组合可调控晶格应力与带隙，提升结构稳定性。

• X位调控：I⁻/Br⁻/Cl⁻三元调控可实现带隙精细调节，但需避免Cl⁻诱导的相分离。

• 多阳离子/多卤素体系：如Cs₀.₂FA₀.₈Pb(I₀.₇₅Br₀.₂₅)₃、DMA⁺掺杂体系等，兼顾高效率与高稳定性。

3.5 溶剂工程与制备工艺优化

• 绿色溶剂体系：如DMSO/ACN/EtOH混合溶剂，兼顾溶解性与环保性，提升薄膜均匀性。

• 溶剂替代策略：如DMPU替代部分DMSO，降低结晶速率，提升晶粒尺寸与取向性。

• 无反溶剂工艺：如N₂气淬法、电喷雾沉积、纳米抛光等新兴技术，简化工艺、提升薄膜质量与器件重复性。

04 总体结论

宽带隙钙钛矿太阳能电池作为叠层器件的核心组成部分，其性能提升对实现超高效光伏系统至关重要。本文系统梳理了WBG PSCs在材料设计、界面调控、缺陷钝化与制备工艺等方面的最新研究进展，提出了多维度的优化策略。未来研究应聚焦于以下几个方向：

1. 新材料体系开发：探索新型HTL/ETL材料、无铅/低铅钙钛矿体系，拓展材料设计空间。

2. AI辅助材料筛选：利用机器学习高通量筛选添加剂与成分组合，加速材料优化。

3. 工艺简化与稳定性提升：发展无反溶剂、无HTL、低温制备等工艺，推动产业化进程。

4. 多尺度表征与机制解析：结合原位表征与理论模拟，深入理解相分离、缺陷演化与界面动力学过程。

05 图文概览

图1、a) 四端与两端叠层太阳能电池结构示意图；b) 钙钛矿/硅、钙钛矿/有机、全钙钛矿及钙钛矿/CIGS结构示意图；c) 宽带隙钙钛矿的理论Voc与PCE关系图；d) 高性能WBG PSCs的优化框架图。

图2、a) MAPb(Br₀.₆I₀.₄)薄膜在光照前后的XRD图谱变化；b) (200)晶面XRD峰的光照响应；c) 极化子诱导相分离的能量示意图；d-e) 不同卤素比例下的相分离动力学与恢复过程；f-g) 低/高激发强度下的相分离路径示意图；h) 高/低光子通量下的卤素离子分布模型。

图3、a) CH₃NH₃PbI₃及其相关材料的自然带阶图；b) 不同A位阳离子APbI₃钙钛矿的紫外-可见吸收光谱；c) 能级失配示意图；d) 钙钛矿层与传输层界面的TRPL谱图；e) C60诱导的复合损耗统计图；f) C60界面复合机制示意图。

图4、a) 钙钛矿前驱液浓度随时间演化图；b) 溶剂蒸发速率对结晶行为的影响模型；c) 不同Br⁻含量钙钛矿薄膜的SEM图；d) 高Br含量钙钛矿形成动力学与缺陷模型图。

图5、用于WBG PSCs的自组装单分子层（SAMs）结构汇总图。

图6、a) Me-4PACz与NiOx结合示意图；b) BPA钝化NiOx表面缺陷机制；c) 不同SAM修饰下的J-V曲线与XPS谱图；d) 4PACz与4PADCB分子结构及其界面作用示意图；e) BMIMTFSI调控钙钛矿结晶的GIWAXS图；f) 2PACz与Me-4PACz顺序沉积策略示意图；g) 2PACz与MeO-2PACz混合SAM策略图。

图7、a) ICBA与C60能级对比及Voc提升机制；b) ALD-AlOx在钙钛矿表面生长机制；c) 2D钙钛矿钝化结构示意图；d) PEA、F-PEA、CF₃-PEA静电势与缺陷结合能图；e) TEACl钝化钙钛矿薄膜的热处理对比图；f) 吡啶衍生物异构体结构及其缺陷钝化效果；g) CF₃-PEA⁺与EDA²⁺协同钝化机制；h) EDA桥联钙钛矿与SnO₂界面策略图。

图8、a) K⁺调控卤素空位机制图；b) SCN⁻合金化抑制相分离机制；c) 蒽醌磺酸根电子穿梭机制；d) t-FA与钙钛晶格相互作用图；e) DBSA诱导(001)晶面择优取向机制；f) BTFIB调控结晶机制；g) AIDCN抑制碘逃逸与相分离机制图。

图9、不同带隙下ABX₃钙钛矿成分设计汇总图。

图10、a) 不同Cs⁺/Br⁻比例下的PL稳定性对比；b) 三元卤素体系中Cl⁻浓度对带隙与相结构的影响；c) MA⁺引入前后的PL与TRPL对比；d) DMA⁺掺杂前后的Pb-I键长变化；e) 不同有机阳离子与晶格氢键作用强度对比；f) Rb⁺掺杂对离子分布与晶格常数的影响。

图11、a) DMSO诱导晶格应变机制图；b) DMSA无反溶剂工艺对比图；c) 乙醇改性前驱液的PL与TRPL对比；d) DMPU与DMSO对结晶行为的影响；e) 乙酸辅助结晶与缺陷钝化机制；f) KTFB调控晶界生长机制图。

图12、a) 不同MABr比例下的吸收光谱与带隙线性关系；b) FAI/RbAc调控PbI₂/PbBr₂结晶行为；c) 四源真空沉积系统与薄膜表征；d) DPCL与CPCL结晶动力学对比；e) 气淬法与反溶剂法薄膜形貌对比；f) 电喷雾沉积机制图；g) 纳米抛光前后薄膜截面SEM图。

06 作者信息

Minhang Liu, Xingzhu Wang, Weichuan Zhang通讯作者：Xingzhu Wang,Weichuan Zhang单位：School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, P. R. ChinaEngineering and Research Center for Integrated New Energy Photovoltaics & Energy Storage Systems of Hunan Province, University of South China, Hengyang 421001, ChinaSchool of Resource Environment and Safety Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China

07 论文链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202504777  

【转载: 能源材料及应用】