陈棋团队最新Science：晶核工程实现稳定钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中的卤素均匀分布

北京理工大学前沿交叉科学研究院陈棋教授、材料学院陈怡华助理教授团队在钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池领域取得突破，相关成果于8月2日以“Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells”为题发表在《Science》（DOI：10.1126/science.ado9104）。研究团队报道了一种晶核工程策略用于制备宽带隙（WBG）钙钛矿薄膜。通过配体调控晶核表面能，使得薄膜生长过程以3C相优势晶核为主导。由此制备的薄膜表现出更好的结晶质量和更为集中的晶体取向，有效抑制了缺陷。基于该薄膜制备的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池，效率与长期运行稳定性都有了显著的提高。

有机无机杂化钙钛矿半导体材料的迅速发展为开发高效稳定的新一代光伏器件提供了更多的技术选择。构建钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池（PST）既结合了钙钛矿材料优异的光电性质，又可以发挥我国晶体硅光伏产业的技术优势。该类太阳能电池的认证PCE已经达到34.6%。然而，提高PST的长期稳定性仍然面临挑战。PST在顶电池中使用WBG钙钛矿，以实现太阳光谱的高效利用，降低热弛豫损失。常用的WBG钙钛矿带隙在1.65至1.7 eV之间，组分通常含有混合阳离子与卤素离子。这类材料在使役过程中易发生离子迁移和相分离，影响了叠层电池的长期稳定性。通过提高WBG钙钛矿薄膜的晶体质量，可以有效抑制离子迁移和相分离，从而延长器件使用寿命。

图注：晶核工程示意图及策略的普适性验证

改善WBG钙钛矿的薄膜质量需要精确控制其结晶过程。然而WBG前驱体组分复杂，在常规工艺下薄膜生长主要起始于富溴相晶核和2H相晶核，导致碘溴均质化与结构转变过程相互竞争，最终导致薄膜的结晶质量变差。研究团队提出在WBG薄膜结晶过程中，基于3C相的优势晶核，将有效抑制这些相互竞争的结晶过程。受到钙钛矿纳米晶体合成的启发，该团队通过在前驱液中简单地添加油胺碘（OAmI），实现了3C相的优势成核。进一步配合真空抽气薄膜沉积技术，减少晶体生长过程中局部物理化学环境的波动，制备出高结晶性且取向高度集中的高质量WBG钙钛矿薄膜。

图注：应用晶核工程后宽带隙薄膜与叠层电池的稳定性测试结果

该WBG钙钛矿薄膜表现出优异的光电学性能。基于该吸光层，团队在晶硅异质结（SHJ）底电池上制备了两端PST，1平方厘米器件效率达32.5%（第三方评估为32.0%），25平方厘米器件效率为29.4%（第三方评估为28.9%）。该薄膜也具有良好的光热稳定性。光老化200小时后，薄膜的PL波长漂移得到显著抑制。85°C热老化831小时后，薄膜的XRD信号与初始状态保持一致，晶体质量保持良好。器件封装后在1个太阳的辐照条件下进行最大功率点跟踪测试，在常温下1301小时后保持了初始效率的98.3%，在50°C下800小时后保持了初始效率的90%。此外，器件也展现出在临近空间等极端环境应用的可能性。封装后的器件在全谱光照、245 K、5 kPa低气压下运行56小时后，依然保留了初始效率的90.4%。

该工作第一作者为北京理工大学材料学院陈怡华助理教授，博士生杨宁，中科院上海高等研究院同步辐射中心郑官豪杰副研究员，通讯作者为陈怡华助理教授，北京曜能科技有限公司吴颐良博士，北京理工大学材料学院前沿交叉研究院陈棋教授，北京理工大学为第一完成单位。

该工作得到科技部重点研发计划项目、国家自然基金委区域联合重点项目、面上项目、青年项目、中国科学院青年创新促进项目、新基石科学基金会所设立的科学探索奖等的联合资助。

附通讯作者简介：

陈棋

北京理工大学材料学院教授

北京理工大学前沿交叉科学研究院教授/院长，博导。先后入选教育部国家级领军人才，国家级青年人才计划，获北京市自然科学基金杰出青年基金资助。主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、储能电池、传感器、探测器等各类新型光电器件。围绕有机/无机杂化的钙钛矿太阳能电池，在吸光层材料溶液生长制备、新型低维发光钙钛矿材料设计合成、新型封装材料和工艺开发、多层薄膜应力-应变调控、界面修饰改性等方面开展了系统性的研究工作。迄今以一作/通讯作者发在Science, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. ed., Adv. Mater.等权威期刊发表SCI论文100余篇，H-Index 71，总引用超过35000次，多年入选“科睿唯安全球高被引科学家”。

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陈怡华

北京理工大学材料学院助理教授

硕士生导师，长期从事有机无机杂化材料的可控合成与薄膜生长、光电器件构筑等研究。围绕新一代高效稳定的有机无机杂化钙钛矿基单结与叠层太阳能电池技术，在前驱体酸碱控制、异质结界面优化、离子与载流子行为调控、多场耦合老化降解机制探索、长期稳定性提升等方面有深入系统的研究，相关研究成果已发表学术论文40余篇，以第一/通讯作者（含共）在Science、Nature Communications、Joule、Progress in Materials Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等期刊上发表SCI论文10余篇，论文总引用超6300次，H-Index 30，主持多项国家级、校级项目，包括国家自然科学基金青年项目、北京理工大学青年启动计划，作为项目骨干参与科技部十四五重点研发计划等。

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吴颐良

博士，澳大利亚先进光伏中心ACAP Fellowship获得者。主要从事晶硅太阳能电池，杂化钙钛矿材料，钙钛矿移动离子表征，晶硅钙钛矿叠层器件，追光及半导体光伏器件模拟等多学科交叉基础研究、应用研究和技术平台的开发。相关研究成果已发表学术论文40余篇，以第一/通讯作者（含共）在Science、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等期刊上发表SCI论文5篇论文，总引用超5400次，H-Index 35。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9104

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