报告内容
这篇文章是一项原始研究（类型a）。下面根据要求提供全面的学术报告。
研究的作者与机构，以及发表期刊与时间
本研究的标题为 “Suppressed phase segregation for triple-junction perovskite solar cells”，由 Zaiwei Wang, Lewei Zeng, Tong Zhu, Hao Chen 等组成的国际研究团队完成，第一作者及共同通讯作者 Edward H. Sargent 隶属于加拿大 University of Toronto（多伦多大学）。其他研究人员来自多所顶尖高校和研究机构，包括 Northwestern University、University of Warwick、KAUST、University of Toledo 等。文章发表于2023年6月1日的《Nature》杂志。
学术背景
科学领域与研究动机
本研究聚焦于钙钛矿光伏领域，特别是钙钛矿三结太阳能电池的研发。钙钛矿因其易调控的能带宽度和低成本的制造工艺，在多结光伏（multi-junction photovoltaics）中展现出巨大潜力。然而，当前研究面临的主要技术瓶颈包括 光致相分离（light-induced phase segregation, LIPS），这一现象严重限制了宽带隙（>1.65eV）卤化物钙钛矿吸光层在稳定性和效率上的提升，尤其是在需要能带宽度达到 2.0 eV 的顶层子电池（top cell）中表现尤为突出。为此，研究团队的目标是，通过抑制LIPS效应，提高钙钛矿三结太阳能电池的效率与长期稳定性。
背景知识与研究目标
- 钙钛矿光伏的优势：钙钛矿材料具有良好的光电性能，包括长载流子扩散长度、高光吸收率以及可调的禁带宽度。
- 三结太阳能电池的潜力：三结结构通过层叠多种光吸收层，减少电荷载流子的热化学损失，可理论实现比单结和双结更高的转换效率(PCE)。
- 技术瓶颈：光照诱导的I/Br混合钙钛矿吸收层的相分离效应，尤其在宽带隙钙钛矿中显著降低了其性能与稳定性。
- 研究目标：通过晶格畸变（lattice distortion）提高离子迁移能垒，抑制相分离效应；构建基于铷/铯混合阳离子2.0 eV钙钛矿吸光层的全钙钛矿三结太阳能电池，并实现效率提升和稳定性改进。
研究流程
实验设计概述与程序
研究通过以下主要步骤展开：
材料的选择与预处理：
- 研究团队通过晶格掺杂小半径的铷离子（Rb+）代替铯离子（Cs+），在混合卤化物钙钛矿中引入晶格畸变，目标材料为 Rb/Cs 混合阳离子无机钙钛矿 Rb({0.15})Cs({0.85})PbI({1.75})Br({1.25})。作为对照样品，选择了 CsPbI({1.4})Br({1.6}) 和 CsPbI({1.75})Br({1.25})。
- 详细制备方法包括化学配比的控制（如Cs、Rb、Pb、I和Br阳离子/阴离子比例）、前驱体制备、溶液过滤以及膜层退火过程等。
结构与光电性能的表征：
- 利用紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X射线衍射(XRD)对材料的晶相纯度和能带宽度进行表征。
- 采用固态核磁共振（NMR）技术验证Rb+ 是否成功进入钙钛矿晶格。
时间依赖光致发光实验（PL）：
- 研究LIPS效应，分析不同钙钛矿薄膜在1-Sun光照条件下随时间变化的PL光谱峰位。
- 测试Rb/Cs混合钙钛矿的光稳定性，并与控制组进行对比。
晶体衍射分析和离子迁移能垒测算：
- 通过单晶X射线衍射和理论计算（密度泛函理论，DFT）的结果，研究晶格畸变对离子迁移活化能的提升机制。
- 对比不同原子/离子在晶格中的迁移能垒，确定畸变的几何参数变化与能量屏障之间的关系。
三结光伏器件的构建与评估：
- 制备基于2.0 eV Rb/Cs混合阳离子钙钛矿吸光层的三结光伏器件，并与1.6 eV和1.22 eV的中间与底层子电池层叠。
- 进行光电性能测量，包括开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)和转换效率(PCE)等参数。
- 持续跟踪器件在最大功率点下的稳定性百小时级表现。
主要研究结果
材料结构与光学稳定性提升：
- Rb掺杂显著提高了晶格畸变（如Pb–X–Pb键角改变），导致阳离子与卤化物离子的平均距离大幅缩短。
- 这使离子迁移能垒从 CsPbI({1.4})Br({1.6}) 的 0.33 eV 提升至 Rb({0.15})Cs({0.85})PbI({1.75})Br({1.25}) 的 0.51 eV，从而抑制了光致相分离。
光电性能优化：
- 基于 Rb({0.15})Cs({0.85})PbI({1.75})Br({1.25})的单结器件效率达到13.41%，比对照样品提升显著。
- 三结太阳能电池：报道的最佳效率24.3%为当前全钙钛矿三结器件效率的新记录，在认证实验中达到23.29%，Voc高达3.21 V，表现优异。器件在420小时连续操作后仍保留初始效率的80%。
机制验证实验：
通过PL时间变化，明确了LIPS效应在未掺杂样品中产生能级更低的相态，而Rb掺杂样品由于高度晶格稳定性完全抑制了这一转化过程。
研究结论
本研究通过引入晶格畸变，显著提升了宽带隙钙钛矿材料的光稳定性并成功应用于高效、稳定的三结太阳能电池。这一成果为解决光致相分离带来的技术瓶颈提供了科学指导，并展示了钙钛矿在下一代高效光伏器件中应用的巨大潜力。此外，研究中构建的新型多结电池也展示了进一步优化和工业化的可能性。
研究亮点
- 首次实现认证的全钙钛矿三结太阳能电池效率超23%。
- 创新地通过晶格畸变抑制光致相分离，为钙钛矿光伏材料的长期稳定性提供全新方向。
- 全面分析Rb掺杂对离子迁移、光学性能以及晶体结构的协同提升效应，结果与理论研究高度吻合。
科研与应用价值
本研究不仅在基础研究层面提供了对钙钛矿光伏材料稳定性机理的新认知，还在应用领域大幅提升了三结太阳能电池的性能与可行性。这将对推进钙钛矿光伏技术的商业化及其在清洁能源领域的普及起到重要推动作用。