近日，航空航天结构力学及控制全国重点实验室宣益民院士以共同通讯作者身份在国际顶级学术期刊《Science》上发表题为《Strain-induced rubidium incorporation into wide-bandgap perovskites reduces photovoltage loss》的研究论文，标志着钙钛矿太阳能电池高效性与稳定性研究领域取得重大突破。
稳定可靠的宽带隙钙钛矿材料对于钙钛矿叠层太阳能电池技术的发展至关重要。然而，宽带隙钙钛矿通常采用多卤素组分，其空间分布容易出现不均，进而在光照下诱发相分离，严重影响器件的性能与稳定性。在复杂组分体系中实现元素的均匀分布、有效抑制光致相分离和光电压损失，仍然面临重大挑战。
该成果突破传统基于容忍因子的阳离子掺杂设计范式，利用钙钛矿薄膜材料的晶格应变，将尺寸小于容忍因子下限的Rb+离子嵌入钙钛矿晶格中，从而提升元素分布的均匀性，有效提高离子迁移势垒，抑制相分离的发生。
研究团队通过Rb⁺离子的A位掺杂策略，成功将带隙为1.67 eV的宽带隙钙钛矿器件开路电压提升至1.30 V，创下该类器件的纪录。同时，该策略显著抑制了光致相分离现象，在连续400分钟一个太阳光照条件下，未观察到明显相分离，表现出优异的光照稳定性。
多尺度材料表征，阐明了Rb+掺杂在改善钙钛矿薄膜面内以及面外方向上组分均匀性中的核心作用。进一步通过荧光量子产率测试，观察到Rb+掺杂大幅增强了宽带隙钙钛矿的准费米能级分裂，揭示了器件开路电压的提升机理。
在原位X射线、固态核磁表征和理论计算的支持下，研究揭示了薄膜应变在促进Rb+稳定进入钙钛矿晶格A位的决定性作用。该项研究工作首次实验证明尺寸小于容忍因子下限的阳离子亦可通过应变调控方式稳定嵌入钙钛矿晶格，刷新了对钙钛矿材料掺杂准则的理解。该发现为钙钛矿薄膜组分工程提供了全新视角，并为后续构建高性能、长寿命的光伏器件提供了理论基础与技术支撑，具有深远的科学意义与工程价值。
该策略在实现高开路电压与长期稳定性的同时，具备良好的材料兼容性和工艺适应性，可广泛适用于多种宽带隙钙钛矿体系，特别适合用于叠层太阳能电池的顶电池设计。未来有望推动钙钛矿叠层器件效率的持续突破，并为高稳定性、可大面积制备的光伏技术发展提供坚实基础，具有重要的产业化应用潜力。
责任编辑：周末
