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图 拟卤素调控结晶、抑制离子迁移与相分离过程及有机/钙钛矿叠层电池性能
在国家自然科学基金项目（批准号：52325307、52203233、52273188）等资助下，苏州大学材料与化学化工学部李耀文教授、陈炜杰副教授等人与德国埃尔朗根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授合作，解决了宽带隙钙钛矿中光致卤素相分离的难题，刷新了有机/钙钛矿叠层太阳能电池的纪录认证效率，为制备高效、稳定的有机/钙钛矿叠层太阳能电池提供了新思路。相关成果以“硫氰根离子抑制宽带隙钙钛矿中卤素相分离助力25.06%效率的有机/钙钛矿叠层太阳能电池（Suppression of phase segregation in wide-bandgap perovskites with thiocyanate ions for perovskite/organic tandems with 25.06% efficiency）”为题，于2024年3月29日发表在《自然•能源》（Nature Energy）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01491-0。
在全球“双碳”战略的引领下，发展以有机、钙钛矿为代表的新型太阳能电池成为推动能源革命的关键力量。目前，基于A-DA’D-A型的有机受体材料已推动有机太阳能电池的能量转换效率（PCE）接近20%，然而，有机太阳能电池的PCE和紫外稳定性仍远落后于商业化硅太阳能电池。混合卤素宽带隙钙钛矿能够有效吸收和过滤紫外光以弥补有机高分子材料的本征缺陷。因此，将有机与钙钛矿太阳能电池集成所构筑的有机/钙钛矿叠层电池，既可以利用顶底电池之间的光吸收互补特性提高对太阳光的利用和电池效率，还可以借助宽带隙钙钛矿紫外光过滤性，避免有机活性层受到紫外光辐照，从而提升叠层电池寿命。然而，顶电池中混合卤素宽带隙钙钛矿在光照下会发生卤素离子迁移和相分离，由此引起的能量损失严重限制了有机/钙钛矿叠层电池性能的提升。
混合卤素宽带隙钙钛矿中的卤素相分离现象在2015年被首次报道。由于宽带隙钙钛矿中的溴含量较高，且卤素离子的迁移活化能较低，在光照情况下，卤素离子在薄膜中极易迁移与聚集，引起卤素相分离，即产生富碘相和富溴相。相分离的发生会破坏原有组分的均一性，影响叠层顶底电池的电流平衡；富碘相还会捕获光生载流子，引起额外的非辐射复合，对器件的效率和稳定性产生重大影响。科学家们在相关领域已取得部分进展，但还未能有效解决上述问题。如何全面抑制宽带隙钙钛矿中卤素离子迁移和相分离成为有机/钙钛矿叠层电池效率和稳定性提升的关键所在。
该研究团队构筑了I/Br/SCN拟三卤素合金钙钛矿，通过结晶动力学调控对宽带隙钙钛矿的宏观薄膜形貌、微观晶格组分以及器件光伏性能进行链条式研究，有效阻断了离子迁移途径，大幅提升了离子迁移活化能，从而全面抑制卤素离子在晶格和薄膜中的迁移与相分离。宽带隙钙钛矿太阳能电池的能量损失显著降低，并获得了世界纪录认证效率（25.06%）的有机/钙钛矿叠层太阳能电池，该叠层电池表现出优异的工作稳定性与紫外光稳定性，加速推动了有机/钙钛矿叠层太阳能电池的产业化进程。