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研究背景

鈣鈦礦材料因其卓越的光電特性，尤其是在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用，成為了研究熱點(diǎn)。然而，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）存在離子遷移和相分離等穩(wěn)定性問題，這些問題嚴(yán)重制約了其效率提升和長期應(yīng)用。尤其是在寬帶隙鈣鈦礦的串聯(lián)太陽能電池中，離子遷移和鹵化物分離現(xiàn)象尤為突出，這影響了設(shè)備的穩(wěn)定性和效率。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們提出了多種策略，包括使用多價(jià)陽離子來增強(qiáng)靜電相互作用，抑制離子遷移。然而，多價(jià)金屬陽離子往往在鈣鈦礦中形成深能級陷阱，影響了器件的光電性能。因此，如何在不產(chǎn)生深能級陷阱的情況下有效抑制離子遷移和相分離，成為了該領(lǐng)域亟待解決的難題。

成果簡介

為此，西湖大學(xué)工學(xué)院王睿團(tuán)隊(duì)以及浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院薛晶晶研究員等人攜手在Nature Photonics期刊上發(fā)表了題為“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se₂?tandem solar cells”的最新論文。西湖大學(xué)–浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生田柳文（田蔚中）為論文第一作者，宣城先進(jìn)光伏技術(shù)研究院、華晟新能源畢恩兵博士為共同第一作者。

團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的二價(jià)陽離子替代策略，采用亞甲基二銨陽離子（MDA²⁺）部分替代鈣鈦礦晶格中的A位陽離子，從而抑制了鈣鈦礦中的離子遷移和鹵化物分離。研究表明，MDA²⁺通過其二價(jià)狀態(tài)與無機(jī)框架之間的強(qiáng)靜電相互作用，顯著提高了離子遷移的能量屏障，有效抑制了離子遷移和光誘導(dǎo)的鹵化物分離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性和效率，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池在1.67–1.68 eV帶隙下實(shí)現(xiàn)了23.20%的冠軍PCE，認(rèn)證效率為22.71%。此外，采用該策略的鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se₂串聯(lián)太陽能電池和半透明鈣鈦礦電池也分別獲得了30.13%和21.88%的PCE，進(jìn)一步驗(yàn)證了這一策略的有效性。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次將亞甲基二銨陽離子（MDA²⁺）引入鈣鈦礦晶格，成功實(shí)現(xiàn)了二價(jià)陽離子替代策略，以抑制離子遷移和鹵化物分離。得到了：通過這一替代策略，顯著改善了寬帶隙鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和效率。

2. 實(shí)驗(yàn)通過在鈣鈦礦太陽能電池中使用MDA²⁺，通過強(qiáng)烈的靜電相互作用增強(qiáng)了陽離子與無機(jī)框架的結(jié)合力。結(jié)果：抑制了鹵化物離子的遷移和缺陷的形成，進(jìn)而提高了光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和器件穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的PCE達(dá)到23.20%（認(rèn)證效率為22.71%），展現(xiàn)出卓越的性能。

3. 實(shí)驗(yàn)通過將MDA²⁺引入鈣鈦礦材料后，結(jié)合銅銦鎵硒（Cu(In,Ga)Se₂）材料制備疊層太陽能電池。結(jié)果：實(shí)現(xiàn)了高達(dá)30.13%的PCE，并展示了在柔性鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se₂串聯(lián)太陽能電池中23.28%的穩(wěn)態(tài)PCE（認(rèn)證效率為22.79%）。此外，半透明鈣鈦礦設(shè)備也達(dá)到了21.88%的PCE。

圖文解讀

圖1：不同有機(jī)A位陽離子與鈣鈦礦之間相互作用的理論研究。

圖2：MDA²⁺抑制離子遷移和鹵化物分離。

圖3：鈣鈦礦薄膜的光電性能改善。

圖4：光伏性能和器件穩(wěn)定性。

結(jié)論展望

本文的研究為鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性提升提供了新的思路和技術(shù)路徑。通過引入二價(jià)陽離子MDA²⁺替代A位陽離子，成功抑制了鈣鈦礦中的離子遷移和光誘導(dǎo)鹵化物分離問題，從而有效提高了光電轉(zhuǎn)換效率和器件的長期穩(wěn)定性。這一策略通過增強(qiáng)MDA²⁺與無機(jī)子晶格的相互作用，增加了離子遷移的能量屏障，降低了缺陷密度，進(jìn)而改善了鈣鈦礦薄膜的光電性能。研究還展示了該策略在單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/CIGS串聯(lián)光伏設(shè)備中的應(yīng)用，分別取得了23.20%和30.13%的冠軍效率，推動了柔性光伏技術(shù)的發(fā)展。

這一工作不僅為鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，還為廣泛應(yīng)用于光電器件中的多價(jià)陽離子替代策略開辟了新方向。此外，MDA²⁺的潛力也可能激發(fā)鈣鈦礦材料在其他光電應(yīng)用領(lǐng)域的探索，進(jìn)一步推動鈣鈦礦材料的商業(yè)化和多樣化應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

Tian, L., Bi, E., Yavuz, I. et al. Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se₂?tandem solar cells.?Nat. Photon.?(2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01618-z

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