深职大胡汉林AM新作：镱离子工程助宽禁带钙钛矿光伏效率破19%

主要内容

相分离仍是限制宽禁带钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能和长期运行稳定性的最关键挑战之一，这一问题在带隙宽度达1.84eV的宽禁带（WBG）钙钛矿材料中表现得尤为突出。严重的卤化物相分离会致使成分不均匀，加速器件退化。在此背景下，聚焦这一关键问题，深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院胡汉林副教授和深圳大学钟亥哲副教授带领其团队开展了相关研究。

团队对1.84eV钙钛矿薄膜表面和底部界面的卤离子分布进行了全面探究，发现存在显著的溴离子（Br⁻）/碘离子（I⁻）卤化物相分离现象，严重损害了器件的效率和稳定性。鉴于此，为解决此问题，团队将三氟甲磺酸镱（III）[Ytterbium(III)trifluoromethanesulfonate，Yb(TFSI)₃]作为多功能添加剂引入钙钛矿前驱体中。镱离子（Yb³⁺）与卤素阴离子之间存在强配位作用，不仅能调控结晶动力学，还能使富溴区域和富碘区域的空间分布更加均匀，进而制备出成分不均匀度降低的高质量钙钛矿薄膜。此外，Yb³⁺显著抑制了卤化物迁移和离子交换过程，成功增强了相稳定性。团队借助深度分辨表征技术，例如掠入射广角X射线散射技术，证实了薄膜深度方向上结晶度提高、结构均匀性改善以及相分离受到抑制。最终，在同类研究中处于领先水平的成功实现了19.06%的卓越光电转换效率（PCE），且在氮气气氛（相对湿度10%，25℃）中放置1500小时后，仍能保持初始效率的85%。

基于上述研究成果，总体而言，胡汉林副教授和钟亥哲副教授带领的团队对宽禁带钙钛矿太阳能电池中的卤化物相分离问题及其对器件光电性能的影响展开了全面研究。为应对这一挑战，团队开发了一种具有创新性的添加剂工程策略，将三氟甲磺酸镱（III）[Yb(TFSI)₃]加入到钙钛矿前驱体溶液中。Yb³⁺离子的引入通过抑制卤素离子迁移，有效调节了宽禁带钙钛矿的结晶动力学，并显著抑制了卤化物相分离。这种调节作用源于Yb³⁺与卤素阴离子之间的强相互作用，促进了更具可控性的结晶过程，从而更好地控制了富溴区域和富碘区域的分布。因此，经处理的钙钛矿薄膜表现出更高的卤素均匀性和更优的薄膜质量，其光电性能得到显著提升。此外，加入Yb³⁺可有效抑制离子迁移，减轻卤化物相分离现象，有助于提高器件的长期运行稳定性。与原始对照样品相比，Br⁻和I⁻之间的离子交换明显减少。通过结合对钙钛矿薄膜顶部和底部表面的详细分析，团队系统地揭示了卤化物相分离对器件性能的影响，以及Yb³⁺改性在控制这一现象方面的有效性。卤素分布改善、结晶过程调控和缺陷钝化的协同作用，使器件的光伏性能显著提升，成功实现了19.06%的冠军光电转换效率（PCE）。而且，优化后的器件在25℃、氮气环境（湿度10%）中储存1500小时后，仍能保持初始效率的85%，展现出优异的器件稳定性。这些研究结果为宽禁带钙钛矿材料的合理设计以及稳定高效叠层太阳能电池的开发提供了宝贵见解和新的思路。

文献信息

Boosting the Efficiency of 1.84 eV Wide-Bandgap Perovskites Photovoltaics Beyond 19% via Yb3+ Engineering

Taomiao Wang, Fei Wang, Yonggui Sun, Yanrong Zhu, Tao Zhang, Qiannan Li, Xianfang Zhou, Dawei Duan, Quanyao Zhu, Yumeng Shi, Yonghua Chen, Mingjian Yuan, Haizhe Zhong, Hanlin Hu

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202511882