提升钙钛矿太阳能电池环境稳定性与效率：基于Sb³⁺/S²⁻合金化FAPbI₃的策略研究

 

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电转换效率而受到广泛关注，大多数高效PSCs仍需在惰性气氛（如充氮手套箱）中制备，在一定程度上限制了其商业化生产的规模化发展。通过两步法在环境条件下研发高效稳定的 PSCs，对推动其工业化应用至关重要。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性，能达到快速升温降温，提升测试效率，满足IEC61215等标准。

本文提出一种新型组分工程策略，在环境空气中通过序贯工艺，将三价锑（ Sb³⁺ ）和二价硫（ S²⁻ ）离子同时合金化引入甲脒铅碘（ FAPbI₃ ）晶格，显著增强了材料的本征稳定性与电池性能。

研究方法与材料制备

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本研究采用顺序沉积法在环境空气条件下制备钙钛矿薄膜。首先在150°C下将SbCl₃-硫脲（Sb-TU）复合物溶液旋涂于PbI₂基底上，随后引入甲脒碘（FAI）溶液完成转化反应，形成Sb³⁺/S²⁻合金化的FAPbI₃薄膜。通过调控Sb-TU添加量（0–2.0 mol%），系统优化了材料的晶体结构与光电性能。

合金化效应与机理分析

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Sb³⁺/S²⁻ 合金化 FAPbI₃ 的第一性原理分子动力学（AIMD）模拟

Sb³⁺ 和 S²⁻ 掺入对钙钛矿薄膜残余应力与晶体结构的影响

形貌与结晶性对比

理论模拟与实验表征共同揭示了Sb/S合金化的多重效益：

晶格应变弛豫：Ab initio分子动力学模拟表明，适量Sb³⁺/S²⁻掺杂（~1.56 mol%）可调节Pb–I键长与I–Pb–I键角，提升容忍因子，从而有效释放晶格应力。

残余应力降低：掠入射X射线衍射（GIXRD）分析显示，1.0 mol%合金化薄膜的残余应力最低（10.5 MPa），不足对照样品（53.7 MPa）的五分之一。

结晶性与取向优化：GIWAXS与HR-TEM结果表明，Sb³⁺/S²⁻引入促进了α(200)晶向的优先生长，提高了结晶质量，并诱导更多晶粒呈面外取向，有利于电荷传输。

电池性能与稳定性提升

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性能与表征分析对比

“对照”与“目标”钙钛矿薄膜及电池的稳定性对比分析

基于优化后的合金化FAPbI₃，构建的n-i-p型电池电池实现了25.07%的光电转换效率（PCE），各项参数分别为：Jₛc = 26.48 mA/cm²，Vₒc = 1.15 V，FF = 82.33%。该效率与当前大气制备工艺的最高水平相当。

性能提升归因于：光吸收增强与陷阱态密度降低；载流子寿命从0.82 μs延长至2.1 μs；界面缺陷减少，电荷复合受到抑制。

在稳定性方面，未封装的合金化电池表现出色：在20–40 % RH、25 °C黑暗环境中放置1080小时后，仍保持94.9 %的初始效率；在1个太阳光连续照射（N₂环境）2160小时后，效率保持率超过90 %；在85°C高温环境下经历744小时，仍保持90.8 %的初始PCE。

本研究成功开发了一种通过Sb³⁺/S²⁻双元素合金化提升FAPbI₃钙钛矿材料性能的新方法。该策略不仅显著提高了电池的效率和环境稳定性，还实现了全大气环境下的可控制备，避免了传统惰性气氛制备的限制，具有良好的产业化应用前景。 Sb³⁺/S²⁻同时合金化的方法为研发高效、稳定、可规模化制备的钙钛矿太阳能电池提供了有力的材料设计思路与技术路径。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

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原文参考：Enhanced stability and efficiency in perovskite solar cells via mixed-metal chalcohalide-alloyed formamidinium lead iodide