论文概览
宽带隙钙钛矿太阳电池是叠层光伏器件的关键组成部分。然而宽带隙钙钛矿中较高的溴离子含量容易导致复杂的结晶过程和薄膜质量的降低。光诱导相分离进一步制约了宽带隙电池的长期稳定性。针对此问题，南京工业大学曹久朋&秦天石团队于《ACS Energy Letters》发表题名为“Modulating Crystallization and Suppressing Phase Segregation in Wide-Bandgap Perovskite Absorbers toward Silicon-Based Tandem Solar Cells”的研究成果，通过引入了二维PAPbI4（PAI，4-吡啶甲基碘化铵）钙钛矿以调控宽带隙钙钛矿的结晶过程，PAI与三维钙钛矿组分之间的强相互作用减缓了结晶速率，从而提升了晶体质量并抑制了卤化物离子相分离。该策略具有普适性，显著提升1.67至1.85 eV带隙范围的宽带隙钙钛矿光伏器件的光电压。基于该策略使两端钙钛矿/硅叠层太阳电池实现了32.11%的光电转换效率。
亮点解析
示意图展示2D钙钛矿优先分布于3D钙钛矿晶界处，并通过有机间隔阳离子（PAI、BAI、CAI）与钙钛矿组分的配位作用延缓结晶过程；旋涂过程的原位PL显示PA改性薄膜的荧光强度显著增强，退火过程的原位PL中荧光强度的降低对应钙钛矿薄膜的多形态转变过程，且PA改性样品中PL衰减延时出现，意味着对结晶过程的延缓作用。
GIWAXS图像显示引入有机间隔阳离子CA或PA后，钙钛矿薄膜中残留PbI2相明显减少，尤其是PA改性后钙钛矿(100)晶面散射环强度增强且取向均匀性提升，GIXRD测试表明对照组存在残余应力，而PA改性策略使应力得到有效释放；TEM图像直接观察到分布于3D钙钛矿晶界处归属于二维PAPbI₄的9.75 Å晶格条纹，进而有效钝化晶界处缺陷；TRPL曲线显示改性薄膜载流子寿命延长，能级示意图显示PA改性钙钛矿层表现出增强的n型特性，从而协同优化了电荷提取与界面传输。
拉曼光谱中PAI与I₂混合后I-I伸缩峰（184 cm⁻¹）消失并出现159 cm⁻¹新峰，FTIR中C=N键蓝移，证实PA中吡啶氮与I₂形成N-I键，捕获游离碘；温度依赖性电导率测试显示PA改性薄膜的离子迁移活化能从0.42 eV提升至0.58 eV，有效抑制离子迁移；甲苯溶液浸泡60分钟提取析出的I2后，吸收光谱显示对照组I₂特征峰（505 nm）强度显著增加，而改性组仅轻微变化；持续光照下的PL对比发现对照组发生红移展宽，PA改性组保持稳定，表明引入的PA通过化学键合作用有效阻碍了卤化物相分离路径。
最佳单结宽带隙钙钛矿器件的效率从20.99%提升至23.16%，内建电势从0.92增至1.05 V；QFLS与PLQY在1.67-1.85 eV带隙范围内均显著提升；钙硅叠层电池器件效率达32.11%。光稳定性测试中PA改性器件在1000小时连续光照老化后保持90.1%初始效率，远超对照组（50.1%），证明2D钙钛矿通过结晶调控与相分离抑制实现钙硅叠层器件光电转换效率和长期稳定性的协同突破。
结论展望
本研究通过引入2D PAPbI₄钙钛矿作为结晶调控剂与稳定剂，协同实现了宽带隙钙钛矿薄膜质量的提升、以及光致相分离的有效抑制。该策略在1.67-1.85 eV的宽带隙范围内普适性地降低了电压损失，最终在宽带隙钙钛矿单结器件和钙钛矿/硅叠层电池中均实现了高效率与高稳定性。这项工作为制备高质量宽带隙钙钛矿以及高性能钙硅叠层太阳能电池提供了重要的材料设计以及工艺路线指导。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c03383
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