主要内容

河北大学何庭伟教授与杨少鹏教授领衔的科研团队，在宽禁带钙钛矿太阳能电池领域取得突破性进展。针对混合卤素钙钛矿材料中普遍存在的卤素相分离难题——这一制约叠层太阳能电池（TSCs）效率提升的关键瓶颈，团队提出同步卤素相调控新策略，通过分子工程手段实现了钙钛矿薄膜的晶相精准控制。

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创新策略：从分子相互作用到薄膜工程

研究团队基于密度泛函理论（DFT）计算，筛选出1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）作为新型添加剂。与传统溶剂（DMF、DMSO）相比，DMI展现出两大独特优势：

超强配位能力：DMI与PbX₂的结合能较DMF/DMSO提升近40%，形成更稳定的[PbX₂-DMI]₂配位簇；

卤素无差别锚定：实验证实DMI对PbI₂和PbBr₂的吸附自由能差小于0.02 eV，确保了富溴与富碘区域的均匀成核。

在溶液加工过程中，DMI通过动态配位竞争机制，在DMF/DMSO挥发阶段形成稳定的DMI-PbX₂中间相。该中间相在退火时发生同步相转变，避免了传统工艺中因溶剂挥发速率差异导致的卤素富集，最终获得晶粒尺寸达1.2 μm、卤素分布标准差仅0.8%的高质量钙钛矿薄膜。

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性能突破：效率与稳定性的双重跃升

基于该策略制备的1.76 eV宽禁带钙钛矿电池，在AM1.5G光照下实现21.42%的认证效率（第三方测试值21.18%），较传统工艺提升15%。其性能优势源于：

载流子动力学优化：瞬态吸收光谱显示，薄膜的载流子寿命延长至3.2 μs，复合速率降低60%；

缺陷钝化效应：DMI的氮原子可与未配位Pb²⁺形成强配位键，将缺陷密度从10¹⁶ cm⁻³降至10¹⁵ cm⁻³量级。

进一步构建的四端全钙钛矿叠层电池，凭借宽禁带子电池82%的透光率，实现29.66%的认证效率，刷新了钙钛矿叠层器件的世界纪录。更值得关注的是，未封装的器件在1 sun光照下连续老化3000小时后，仍保持初始效率的90%以上，这得益于：

残余应变缓解：X射线衍射分析表明，均匀卤素相使晶格应变从0.15%降至0.03%；

离子迁移抑制：电化学阻抗谱显示，离子迁移活化能提升至0.65 eV，较传统器件提高0.2 eV。

03

科学意义与产业前景

该研究首次揭示了分子添加剂对钙钛矿相转变路径的调控机制，为解决混合卤素体系相分离问题提供了普适性方案。相关成果已申请国家发明专利3项，并与多家光伏企业达成技术转化意向。随着宽禁带钙钛矿技术的成熟，全钙钛矿叠层电池有望在未来3-5年内实现30%以上效率的规模化应用，为全球碳中和目标提供关键技术支撑。

文献信息

Synchronous Phase Transformation for Efficient Wide-Bandgap Perovskite Photovoltaics

Yifan Li, Xinmin Zhao, Ni Meng, Shuo Dong, Shan Yan, Man Yang, Changjiu Sun, Zhiqiang Li, Shaopeng Yang, Mingjian Yuan, Tingwei He

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202505694