论文概览
宽禁带钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其作为建筑集成的半透明光伏电池、串联结构的顶层电池和物联网(IoT)应用的室内光伏(IPV)的潜力而引起了人们的极大关注。然而，其存在潜在的缺陷介导的相分离、离子迁移、晶格应变和其他因素可以引起器件内的自加速退化反应和准费米能级分裂(QFLS)的收缩。近年来，通过研究者们的努力，WBG钙钛矿光伏领域取得了重要突破，单结WBG PSC的性能已经提升到新的高度，VOC接近甚至超过S-Q极限的90%，运行稳定性达到数千小时。鉴于大量相关研究论文如雨后春笋般涌现，梳理这些发现并提供及时和全面的综述具有重要意义。故而Jianjun Mei 与 Feng Yan 团队（香港理工大学）的这篇综述从缺陷中心的观点出发，首先阐明了富溴WBG PSCs中光不稳定和VOC损失的原因。随后对先进的缺陷管理策略进行了分类和讨论，主要涉及钙钛矿层、界面层、电荷传输层和阻挡层的优化方法。简要概述了WBG钙钛矿细胞在包括半透明器件、TSCs和IPV在内的各种应用中的显著进展。最后，提出了该领域的前景和挑战，以期为未来的研究努力和技术进步指明方向。该论文以 “Recent Advances in Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells” 为题发表于顶级期刊 Advanced Materials。
技术亮点
最新WBG研究进展：本文系统综述了宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG PSCs） 的最新研究进展，特别聚焦于缺陷工程对器件稳定性和开路电压损失（Voc损失） 的影响。
全方位缺陷管理介绍：文章从缺陷机理出发，全面讨论了从体相钝化、传输层优化、界面工程到缓冲层设计的全方位缺陷管理策略，并延伸至半透明器件、叠层电池和室内光伏等前沿应用。
深度解析
图1系统地描绘了溴基宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG PSC）内部复杂的缺陷生态系统，以及光照下碘物种光解引发的器件自降解链式反应。图中a部分展示了从体相到界面的各类缺陷（点缺陷、位错、晶界、析出物等）的分布，它们共同构成了一个不稳定的“缺陷生态”。b部分则通过生动的图示揭示了光致降解的恶性循环：I₂光解产生碘自由基→自由基诱导有机阳离子去质子化→生成挥发性中性物质和I⁰→I₂长程扩散→被C₆₀等传输层捕获→甚至从理想钙钛矿中光解释放出更多自由基。c和d部分通过ToF-SIMS的碘-溴深度剖面和阴极发光（CL）成像，直观证实了卤化物分布不均以及在光照下（以10秒为间隔）碘离子在晶界和特定晶面处快速聚集并发生相分离的动态过程。整张图深刻阐明了缺陷不仅是非辐射复合的中心，更是引发材料分解和性能衰退的根源。
图2主要描述载流子复合与QDLS损失机理。该图从载流子动力学的角度深入分析了钙钛矿太阳能电池中开路电压（Voc）损失的微观机制。a部分示意图清晰地标出了电荷产生、传输和复合的全路径，以及它们对准费米能级分裂（QFLS）的影响，并明确指出了不同复合路径（辐射复合、SRH体复合、表面复合、界面复合）所对应的能量损失（①至⑥）。b部分特别强调了在相分离情况下，载流子会被富碘区域形成的“漏斗状”能带陷阱所捕获并复合，造成额外的Voc损失。c部分则通过实验数据对比了不同带隙钙钛矿薄膜本身以及完整电池器件（经过不同表面钝化处理）对QFLS损失的贡献，雄辩地证明了界面非辐射复合是宽禁带器件Voc损失的主要来源，而有效的钝化策略可以显著降低这部分损失。
图3主要介绍组分调控与伪卤素策略。图中展示了通过组成工程（阳离子掺杂、卤素/拟卤素混合）来优化WBG钙钛矿薄膜微观结构和性能的各种策略及其效果。a部分的SEM图像清晰显示了引入RbI后，晶粒尺寸显著增大，表面变得更加致密平整。b部分的DFT计算模型和结果说明，离子半径较小的Rb⁺可以自发迁移并占据A位空位，从而有效降低缺陷态密度。c部分的SEM图对比了单卤、双卤和三卤（引入Cl）钙钛矿的形貌，证明少量Cl的添加可以大幅增加晶粒尺寸。d部分则证明了三卤器件在偏压下的卓越光谱稳定性。e和f部分介绍了拟卤素OCN⁻的部分替代，它引起了明显的晶格畸变（e），从而实现了创纪录的高Voc（1.422 V）和出色的长期运行稳定性（f）。g-i部分则聚焦于SCN⁻的作用，理论计算（g）表明SCN⁻合金化能显著提高碘离子的迁移能垒；实验数据（h,i）则证明，无论是1-sun还是100-sun光照，含SCN⁻的样品光致发光（PL）强度都稳定得多，揭示了其抑制相分离和光致降解的强大能力。
图4 重点介绍了几种关键添加剂在改善WBG钙钛矿性能和稳定性方面的独特作用机制。a部分通过样品在50°C空气中老化后的颜色变化照片，直观证明了DMAFo添加剂能有效抑制材料的氧化和还原副反应，从而提高环境稳定性。b部分的（011）晶面极图分析表明，十二烷基膦酸（DDPA）的引入能诱导晶体沿（011）方向择优生长，这有利于电荷的垂直传输。c部分的示意图和能量图则阐明，AIDCN分子既能通过化学锚定强化碘离子与晶格的结合（提高逃逸能垒），又能缓解晶格收缩，从而同时抑制卤化物相分离和碘离子逃逸，为实现高Voc（1.366 V）奠定了基础。d部分提出了有机胺添加剂BnAm与钙钛矿中FA⁺反应的两种可能模式，其产物（BnFA⁺）的分布模式（选择性钝化表面空位或形成2D相）高度依赖于添加浓度，展示了分子设计对界面调控的精细影响。
图5 总结了通过溶剂工程和制备工艺创新来控制WBG钙钛矿结晶动力学、获得高质量薄膜的策略。a图通过给出各种溶剂的给体数（DN）和介电常数（εr），为合理选择能充分溶解钙钛矿前驱体的溶剂提供了理论依据。b图示意了使用DMPU部分替代DMSO如何通过形成更稳定的中间相来延长反溶剂滴加的时间窗口，从而减缓结晶过程。c图对比了传统反溶剂淬火（DMF/DMSO）和气体淬火（纯DMSO）两种工艺制备的薄膜形貌，后者结合DMSA后处理能得到更均匀、无孔洞的薄膜。d图展示了真空抽气淬火技术用于大面积模块制造的工艺流程。e图则介绍了一种创新的“侧向密闭空间退火”技术，通过在加热板与样品之间插入浸有添加剂的滤纸，实现了在退火过程中对钙钛矿体相和表面的同步蒸汽处理与钝化。
图6系统梳理了应用于WBG PSCs（尤其是p-i-n结构）中的各类自组装单分子层（SAM）空穴传输材料。a图以不同的颜色模块化地展示了已报道的SAM分子结构，使读者能快速识别其共同特征。b图则将这些SAM分子分解为三个功能部分进行概述：锚定基团（如磷酸基、羧基、硼酸基等，用于牢固连接基底）、桥连 spacer（如烷基链、共轭芳环，影响分子排列和电荷传输）和末端功能基团（如咔唑、三苯胺等衍生物，负责与钙钛矿界面相互作用并实现能级对齐）。该图指明了高性能SAM分子设计的关键在于对各部分结构的精心调配与组合。
图7深入探讨了在电荷传输层（CTL）与金属电极之间插入缓冲层的重要功能及其工作机制。a图的示意图将一个理想的缓冲层比喻为“离子迁移的屏障”和“电荷传输的桥梁”，清晰表明了其双功能特性。b图以YbOx为例，提出了一种新的电荷传输机制：电子通过声子辅助的跳跃传导（hopping）穿越超薄的绝缘缓冲层，这得益于其禁带内的未占据态。c图则从光学角度对比了传统致密缓冲层和新型多孔绝缘接触结构（PIC）的载流子传输路径，后者通过迫使载流子在绝缘体颗粒之间的缝隙中进行横向传输（process a），或让部分载流子直接穿过带隙（process b），实现了在保证一定电接触的同时大幅减少光学寄生吸收。d图强调了在通过原子层沉积（ALD）生长AlOx缓冲层前，对钙钛矿表面进行有机配体预钝化的重要性，这既能保护钙钛矿免受ALD前驱体的破坏，又能为Al—O键的形成提供更多的活性位点。
图8 展示了为实现高性能半透明光伏应用而对WBG钙钛矿器件进行的多种调控策略。a图通过不同溴含量和不同前驱体浓度制备的薄膜实物图，直观展示了通过调节组分和膜厚可以实现透光率和颜色的变化。b图的透光光谱表明，引入TABr添加剂在显著改善薄膜质量（钝化缺陷）的同时，几乎不影响其在整个可见光区的透射率，实现了光电性能与透光性的协同优化。c图给出了一个冠军半透明器件的J-V曲线和实物照片，其结构设计和14.21%的效率、3.12%的光利用效率（LUE）都标志着高性能半透明电池的实现。d-f图则介绍了一条更综合的技术路线：首先使用NEO和ISO等氯化物有机盐进行表面钝化，构建2D/3D异质结以提升Voc（d,e）；随后在器件两端沉积MgF₂和Al₂O₃作为减反射涂层（ARC），最终同时提高了平均可见光透射率（AVT）和LUE（e）；f图更展望了其应用于建筑一体化光伏（BIPV）窗户，进行室内外双面采光的场景。
图9 聚焦于钙钛矿/硅叠层电池中两个关键的技术点：硅底电池的织构化光管理和中间互联层的设计。a-c三张图分别展示了三种不同的硅表面织构策略：a图的背表面织构（BST）在正面保持光滑以利于钙钛矿沉积，同时通过背面金字塔结构增强光捕获；b图的不对称双面织构（AFST）则在正面使用更平缓的金字塔以兼顾钙钛矿覆盖和光管理，背面保留高织构；c图的全表面织构（FST）追求极致的光学性能，但对钙钙钛矿的保形沉积提出了极高要求。d-f三张图则展示了三种不同的中间复合结（或互联层）结构：d图的厚ITO层经典但存在寄生吸收；e图的“超薄金属/金属氧化物（如SnOx）”组合实现了良好的光学透射和电学连接；f图的纯无机金属氧化物（如InOx）互联层则进一步减少了金属带来的光学反射损失，为实现更低光学损耗的叠层电池指明了方向。
图10 阐述了宽带隙钙钛矿电池在室内光伏（IPV）应用中的巨大潜力和最新进展。a图对比了室外AM1.5G太阳光谱与室内常见光源（2700K LED和荧光灯FL）的发射光谱，清楚表明室内光光谱窄且完全位于可见光区，这与WBG钙钛矿的吸收边非常匹配。b图的理论计算（扩展的Shockley-Queisser极限）指出，在室内光下，最佳带隙移至1.8-2.0 eV，且理论效率极限远超50%，凸显了WBG材料的天然优势。c图展示了一个经过认证的室内效率高达44.72%的冠军器件的J-V曲线，证明了其现实可行性。d图描绘了一个由钙钛矿模块驱动的物联网（IoT）评估板在办公室LED照明下实时传输温湿度、压力数据的场景，展现了其实际应用价值。e图则证明了柔性IPV器件的可行性，其在1000 lux LED光照下保持了良好性能，并且经过2000次弯曲后仍能保持80%以上的效率，为可穿戴电子供电提供了可能。结论展望本综述不仅是WBG钙钛矿领域一份详尽的“工具手册”，更是指引未来突破性研究的“路线图”。它清晰表明，通过对缺陷生态系统的深刻理解和精准调控，WBG钙钛矿电池有望在下一代光电子技术中扮演核心角色。
文献来源
Mei, J., Yan, F. Recent Advances in Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells. Advanced Materials. 2025, 2418622.
https://doi.org/10.1002/adma.202418622
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
