实现高效稳定宽带隙钙钛矿电池：抑制相分离的晶界工程策略

 

宽禁带钙钛矿光伏材料因其带隙可调，在室内能量收集领域展现出巨大应用潜力。然而，其面临一个根本性挑战：在光照下，混合卤化物钙钛矿会发生光诱导卤化物相分离，导致材料内部形成局部的富碘区和富溴区。这种现象不仅会造成显著的开路电压损失，还会引发非辐射复合，并最终导致电池性能的快速衰减，严重制约了其长期运行稳定性与商业化进程。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

本研究提出了一种创新的“局部电场抑制”策略。该策略通过引入多功能离子聚合物——聚季铵盐-37（ATK），使其优先分布于钙钛矿晶界。ATK分子通过其季铵基团静电锚定卤素阴离子，同时通过羰基与铅离子（Pb²⁺）配位，形成一种“双重锁定”的分子网络。该网络能有效抑制卤离子迁移、中和晶界处的电荷积累，从而从根源上抑制了导致相分离的局部电场，为实现高效、稳定的宽禁带钙钛矿光伏电池提供了一条普适性的解决方案。

创新策略：局部电场抑制

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本文提出了一种“局部电场抑制”策略：

材料选择：使用离子聚合物ATK，其分子结构中同时包含季铵基团和羰基

作用机制：

季铵基团通过静电作用锚定卤素阴离子

羰基与钙钛矿中的铅离子形成配位键

在晶界处构建稳定的双锁定网络

稳定机制与分子相互作用

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a) 晶界处离子迁移诱导的局部电场示意图，以及ATK对局部电场的抑制。b) 钙钛矿薄膜和ATK处理后的钙钛矿薄膜的Pb 4f和I 3d的XPS谱图。c) ATK及其与钙钛矿混合后的FTIR光谱。d) ATK及其与钙钛矿复合物的LF-NMR谱图

化学相互作用

XPS显示ATK处理后的薄膜Pb 4f结合能正移0.4 eV，I 3d负移0.3 eV，证实了ATK羰基与Pb²⁺的配位作用，以及季铵基团对卤阴离子的静电固定。

FTIR证实羰基峰从1728 cm⁻¹红移至1711 cm⁻¹，季铵基团峰发生蓝移，进一步佐证了与钙钛矿的相互作用。

物理限制效应

LF-NMR显示ATK/钙钛矿复合物的横向弛豫时间缩短，表明聚合物链运动受限，印证了ATK在钙钛矿内部的缠结，形成了空间阻隔网络。

局部电场的理论与实验验证

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a) ATK/钙钛矿界面的优化构型。b) 优化后的ATK/钙钛矿界面的静电势分布图。c) ATK引入后，沿z轴计算的局部电场分布。d) ATK/钙钛矿界面处平面平均的一维电场分布。e) 原始和ATK改性钙钛矿的KPFM图。处理与未处理钙钛矿横跨晶界的线扫描接触电势差。f) ATK处理和未处理钙钛矿的高分辨TEM图像

理论计算表明，富碘端面比富溴端面引发更显著的电场波动。将ATK引入钙钛矿界面后，静电势分布显著均质化，界面处的平均电场强度大幅降低。电子定域函数分析显示，ATK中含氮和氧的基团周围电子密度富集，表明其与未配位Pb、I位点存在配位或静电相互作用，促进了界面电荷再分布，有效屏蔽和中和了晶界局部电场。

KPFM测试直接验证了该效应，测试显示晶界电势差从15.10 mV降至2.34 mV。

HR-TEM分析显示，未处理薄膜中存在溴/碘异质结导致的晶格膨胀和起伏，而ATK改性样品的晶格常数几乎保持不变，其FFT图样斑点清晰锐利，与对照组模糊弥散的斑点形成鲜明对比，证实了LEFS策略对钙钛矿晶格和相分离的稳定作用。

卤化物迁移与相分离抑制

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a) 处理和未处理钙钛矿薄膜在晶界处的卤素离子含量分布统计。b, c) 处理和未处理钙钛矿薄膜晶界处的Br和I分布的EDX结果。d, e) 原始和ATK处理的钙钛矿横向电池的温度依赖性电导率。f, g) 光照下原始和ATK处理钙钛矿薄膜的原位PL光谱。h, i) 光照后原始和ATK处理钙钛矿薄膜的原位UV-vis光谱

EDX线扫描表明，ATK处理薄膜在晶界处保持了均匀的卤化物分布，而未处理薄膜则在晶界处出现Br富集和I耗竭。

温度依赖性电导测量显示，ATK将离子迁移的活化能从0.49 eV提升至0.83 eV，凸显了其化学锚定和聚合物限制在固定卤离子方面的协同效应。

原位PL和UV-vis光谱表明，在连续AM 1.5G光照下，未处理样品的PL发射峰红移13.25 nm，而ATK处理样品仅红移4.84 nm。UV-vis吸收光谱也显示处理后的薄膜在光照后保持高度稳定。这些结果证明LEFS策略有效减轻了导致相分离的光诱导卤化物再分布。

弱光稳定性与缺陷态分析

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a, b) 不同光照后，未处理与处理钙钛矿横跨晶界的线扫描接触电势差。c) 处理和未处理钙钛矿薄膜在标准与弱光照射下的归一化PL峰位移。d) 原始和ATK处理钙钛矿薄膜光照后的原位乌尔巴赫能量。e, f) 原始和目标电池在不同光照下的陷阱态密度曲线。g, h) 原始和目标电池在不同光照下的DLCP曲线

在不同光强下进行的KPFM、原位PL和Urbach能量测试表明，即使在弱光下，ATK处理薄膜也能保持均匀的表面电势和极小的相分离程度，且缺陷态在暗态恢复过程中几乎无变化，显示出优异的结构可逆性。

tDOS和DLCP分析证实，ATK处理电池在所有光照条件下的深能级陷阱密度均显著降低，尤其在弱光下，陷阱密度与暗态几乎一致，证明了LEFS策略赋予的强大缺陷耐受性。

电池性能与稳定性

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a, b) 在AM 1.5G和室内光照射下，原始和ATK处理电池的反向扫描J-V曲线。c) 在两种光照模式下，LEFS带来的PCE和VOC增益对比。d) 在1000 lux白光LED照射下，代表性钙钛矿与非钙钛矿室内光伏效率对比。LHP：铅卤化物钙钛矿；THP：锡卤化物钙钛矿；OPV：有机光伏；DSSC：染料敏化太阳能电池；a-Si:H：氢化非晶硅。e) 近年来已报道的钙钛矿室内光伏的VOC × FF汇总。f) 原始和目标倒置电池的ISOS-L稳定性测试。g) 原始和目标钙钛矿室内光伏的ISOS-LC稳定性测试

基于LEFS策略制备的倒置宽带隙光伏电池表现出色：

标准光照：冠军PCE为22.86%，VOC为1.26 V，JSC为22.46 mA cm⁻²。

室内光照(1000 lux)：在1000 lux白光LED下，冠军PCE高达43.19%，VOC为1.08 V，FF为85.29%。

载流子动力学：TPC和TPV测量表明，ATK处理电池具有更高效的载流子提取和更慢的电压衰减，反映了非辐射复合的抑制。

稳定性突破：在ISOS-L测试中，ATK电池在1447小时后仍保持90%初始PCE，而对照组在663小时后降至50%。在模拟日夜循环的ISOS-LC测试中，ATK电池的 extrapolated T₉₀寿命超过10,000小时，远优于对照组的3787小时。

本研究成功开发了一种局部电场抑制策略，通过在钙钛矿晶界构建分子级双重锁定网络，有效抑制了局部电场积累，从而阻止了宽带隙钙钛矿中的光诱导相分离。该策略通过协同的羰基-Pb²⁺配位和季铵基-卤离子静电作用，提高了离子迁移势垒，中和了晶界电荷积累。最终，电池在标准光照和室内光下分别实现了22.86%和43.19%的效率，并具备超过10000小时的预计使用寿命。这项工作为稳定混合卤化物宽带隙钙钛矿提供了一条普适性策略，为高性能室内光能收集电池的开发奠定了坚实基础。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度 ≤ 2s，漏检率 < 0.1%；误判率 < 0.3%

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美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

 

 

原文参考：Stopping Phase Separation Enables Durable Wide-Bandgap Photovoltaic Perovskites

 

 

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