钙钛矿太阳能电池应变管理实现高效稳定宽带隙器件的突破性研究

作者及机构
本研究的通讯作者为浙江大学材料科学与工程学院硅材料国家重点实验室的Xuegong Yu（余学功）教授，合作团队包括河南先进技术研究院张益强教授、中山大学谢江生教授等。研究成果于2023年1月发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202214381）。

学术背景
宽带隙（WBG, Wide-Bandgap）钙钛矿太阳能电池（PSCs）是提升叠层太阳能电池效率的关键组件，但其面临非辐射复合和相分离（phase segregation）的严重挑战。传统WBG钙钛矿（如1.67 eV和1.77 eV带隙材料）的效率提升缓慢，主要归因于晶格应变（strain）诱导的缺陷和离子迁移。本研究通过应变管理策略，首次系统揭示了残余应变对WBG钙钛矿器件效率与稳定性的决定性作用，并开发了一种基于二甲基亚砜（DMSO）的序列沉积法，实现了应变调控的突破。

研究流程与方法
1. 应变表征与机制解析
- 研究对象：1.67 eV（(CsI)₀.₀₈(PbI₁.₄Br₀.₆)）和1.77 eV（(CsI₀.₁₂₅Br₀.₈₇₅)₀.₀₈(PbI₁.₂Br₀.₈)）钙钛矿薄膜。
- 关键方法：
- X射线衍射（XRD）应变分析：通过Bragg方程和sin²ψ法量化薄膜残余应变，发现DMSO添加可调控铅卤化物层间距，形成中间相以减少晶格失配。
- 拉曼光谱：识别垂直/横向排列的铅卤化物键（95 cm⁻¹和110 cm⁻¹峰），证实DMSO诱导的应变转变。
- 纳米压痕测试：验证薄膜从拉伸应变（tensile strain）向压缩应变（compressive strain）的转变。

1. 器件制备与优化

   • 工艺设计：采用两步序列沉积法，通过调控DMSO含量（10%、25%、40%）优化中间相形成。
     
   • 器件结构：
     
     • n-i-p结构：ITO/SnO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au。
       
     • p-i-n结构：ITO/NiO/钙钛矿/C60/BCP/Ag。
       

2. 性能与稳定性测试

   • 效率测试：AM 1.5G光照下测量电流密度-电压（J-V）曲线。
     
   • 稳定性评估：包括暗态存储（4000小时）、最大功率点跟踪（MPP, 700小时）、湿热（80°C/80% RH）及紫外老化测试（IEC 61215标准）。
     

主要结果
1. 应变调控效应
- 25% DMSO添加使1.67 eV和1.77 eV钙钛矿薄膜实现近乎无应变状态，非辐射复合显著降低（PL强度提升3倍，TRPL寿命延长至>200 ns）。
- XRD显示DMSO将PbI₂层间距从9.4 Å扩展至10.2 Å，促进有机组分渗透，减少残余PbI₂（SEM-EDS验证成分均匀性）。

1. 器件性能突破

   • n-i-p器件：1.67 eV和1.77 eV器件分别实现22.28%和20.45%的纪录效率（Voc达1.22 V和1.19 V，FF>80%）。
     
   • p-i-n器件：1.67 eV器件效率达22.3%，且在湿热、紫外老化后保持>80%初始效率。
     

2. 稳定性提升

   • 无应变器件在4000小时暗态存储后效率保留90-95%，700小时MPP跟踪下保留80-90%。相分离（phase segregation）被显著抑制（PL光谱无新峰出现）。
     

3. 叠层应用

   • 将1.67 eV p-i-n器件与硅底电池集成，获得28.35%的叠层效率（Jsc=19.48 mA/cm²，Voc=1.90 V）。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次阐明应变是WBG钙钛矿效率与稳定性的核心影响因素，提出“铅卤化物层间距调控”机制，为缺陷工程提供新方向。
2. 应用价值：
- 高效WBG PSCs可推动钙钛矿/硅叠层电池商业化（效率>28%）。
- 应变管理策略普适性强，适用于不同带隙（1.6-1.8 eV）钙钛矿体系。

研究亮点
1. 方法创新：开发DMSO介导的序列沉积法，实现应变从拉伸向压缩的可控转变。
2. 性能纪录：1.67 eV n-i-p器件效率（22.28%）和稳定性（4000小时）均为领域最高水平。
3. 机制深度：通过XRD、拉曼、纳米压痕多尺度表征，建立应变-缺陷-相分离的完整关联模型。

其他价值
- 提出的无应变钙钛矿在极端环境（湿热、紫外）下表现优异，满足IEC 61215标准，具备工业化潜力。
- 研究为叠层太阳能电池的顶层电池设计提供了可靠的材料解决方案。