论文概览
针对全溶液两步法制备宽带隙钙钛矿过程中卤素分布不均、反应不完全等关键挑战，中国科学技术大学创新性地引入三(五氟苯基)硼烷（BCF）作为双功能添加剂，通过硼-卤键与氢键协同作用，调控钙钛矿结晶动力学。该研究通过FTIR、NMR和DFT计算证实BCF分子中的缺电子硼元素可与卤素阴离子形成稳定的硼-卤键，同时氟取代基与有机阳离子形成氢键，从而稳定卤素均匀分布、延缓反应动力学，促进大晶粒、无针孔、低缺陷钙钛矿薄膜的形成。最终，单结1.68 eV宽带隙钙钛矿太阳能电池实现了23.49%的冠军效率（认证22.73%），开路电压达1.291 V；基于该优化的钙钛矿薄膜，团队首次在全溶液两步法制备的钙钛矿/硅串联太阳能电池中实现31.12%的效率，为当前两步法制备串联电池中的最高值，并在500小时连续运行后保持>90%的初始性能。
技术亮点
1.双键协同调控机制：BCF通过硼-卤键稳定了卤素分布，通过氢键延缓有机盐扩散，实现结晶动力学的双向调控。
2.纳米结构精准分布：IR s-SNOM显示BCF富集于晶界与表面，有效钝化缺陷并抑制非辐射复合。
3.结晶质量全面提升：薄膜晶粒增大、应力释放、表面更平整，载流子寿命显著提升。
4.光诱导相分离抑制：BCF显著抑制光照下溴碘相分离，提升宽带隙钙钛矿的光稳定性。
研究意义
✅为两步法制备高性能宽带隙钙钛矿提供新策略。
✅首次实现全溶液两步法制备钙钛矿/硅串联电池效率突破31%。
✅通过硼-卤键机制抑制相分离，提升器件长期稳定性。
✅为钙钛矿/硅叠层电池的产业化工艺兼容性提供新思路
深度精度
Fig.1 通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和核磁共振（NMR）等实验手段，结合密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了三（五氟苯基）硼烷（BCF）与钙钛矿前驱体组分之间的相互作用。结果显示，BCF的缺电子硼中心与卤化物阴离子（I⁻、Br⁻）形成稳定的硼-卤键，而氟取代基则与有机阳离子（如甲铵离子MA⁺和甲脒离子FA⁺）通过氢键结合，这种双功能相互作用有效调控了钙钛矿的结晶动力学，为高质量薄膜的制备奠定了基础。
Fig.2 利用原位紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）研究了BCF对宽带隙钙钛矿结晶过程的调控作用。研究发现，BCF的硼-卤键和氢键相互作用稳定了卤化物分布，延迟了有机铵盐与无机层的反应速率，从而促进了钙钛矿薄膜的大晶粒生长和低缺陷密度，同时通过 grazing 入射X射线衍射（GIXRD）显示BCF还能将薄膜的残余应力从张应力转变为压应力，提升了薄膜的机械稳定性。
Fig.3 采用红外散射型扫描近场光学显微镜（IR s-SNOM）技术揭示了BCF在钙钛矿薄膜纳米尺度结构中的分布情况。数据显示，BCF分子主要聚集在晶界和薄膜表面，形成有机阳离子（MA⁺和FA⁺）的浓度梯度，这种“钙钛矿体异质结”结构有效钝化了缺陷，抑制了非辐射复合，同时BCF的覆盖增强了薄膜的光稳定性，为器件性能提升提供了关键支持。
Fig.4 通过XPS、稳态光致发光（PL）、时间分辨光致发光（TRPL）和瞬态光电流（TPC）等测试，系统评估了BCF对钙钛矿薄膜非辐射复合的抑制效果。BCF的引入降低了Pb⁰缺陷峰的强度，延长了载流子寿命，并通过准费米能级分裂（QFLS）证明其将非辐射复合损失从41 mV降至17 mV，显著提升了开路电压（VOC），体现了BCF在缺陷钝化和电荷提取优化方面的核心作用。
Fig.5 展示了基于BCF优化的单结宽带隙钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能与稳定性结果。最佳器件实现了23.49%的光电转换效率（PCE）和1.291 V的高开路电压，认证效率达22.73%，其J-V曲线和外部量子效率（EQE）表明BCF通过改善结晶质量和能级对齐减少了漏电流和复合损失；稳定性测试中，器件在湿热和最大功率点跟踪下仍保持90%以上的初始效率，凸显了BCF对器件长期可靠性的增强。
Fig.6 聚焦于BCF修饰的钙钛矿/硅串联太阳能电池（TSCs）的集成性能，首次通过全溶液两步法在织构化硅上实现了单结效率31.12%的器件，其开路电压达1.940 V，填充因子为79.2%，EQE谱显示底电池电流匹配良好；最大功率点稳态输出和持续运行测试表明器件在500小时后仍保持90%以上效率，证明了该方法在规模化制备高效串联电池方面的巨大潜力。
结论展望
本研究通过BCF分子引入，构建了硼-卤键与氢键协同的结晶调控新策略，成功制备出高质量1.68 eV宽带隙钙钛矿薄膜，实现单结23.49%、串联31.12%的高效率，并显著提升器件稳定性。该工作为全溶液两步法制备高效稳定钙钛矿/硅叠层电池提供了切实可行的材料与工艺方案，推动了叠层光伏的产业化进程。
文献来源：
Luo, S., Liu, D., Deng, X. et al. Boron–halide interactions for crystallization regulation of a 1.68 eV wide-bandgap perovskite prepared via a two-step method. Energy Environ. Sci. (2025).
https://doi.org/10.1039/d5ee03984c
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