南华大学周贤勇、刘畅和王行柱团队:磷酸胍抑制相分离,实现效率达21.54% 的1.78 eV 宽带隙钙钛矿电池及28.72%全钙钛叠层太阳能电池

磷酸胍抑制相分离,实现效率达21.54% 的1.78 eV 宽带隙钙钛矿电池及28.72%全钙钛叠层太阳能电池

题目：Phase Separation Suppression by Guanidine Phosphate Enables 21.54% Wide-Bandgap Perovskite Cells for All-Perovskite Tandem Solar Cells

作者：Chuanyi Huang, Xianyong Zhou, Yintai Xu, Kai Yuan, Minhang Liu, Kaixin Huang, Yuanwei Wang, Guo Ding, Zhiwei Deng, Yuhan Chen, Jiacheng Zhan, Yizhou Qian, Hu Shen, Bin Tian, Jinbo Chen, Binbin Yu, Jing Li, Hanjian Lai, Zhixin Liu, Lei Yan, Baomin Xu, Xingzhu Wang, Chang Liu

DOI：10.1002/cnl2.70189

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70189

第一作者：黄传毅

通讯作者：周贤勇、王行柱、刘畅

单位：南华大学

研究背景

全钙钛矿叠层太阳能电池利用宽带隙（WBG）顶电池与窄带隙底电池的光谱互补，为突破单结器件的效率上限提供了重要路径。然而，富Br混卤WBG钙钛矿在光照或电场作用下容易发生卤素离子迁移与光诱导相分离，形成I/Br富集区域，引起带隙不均一、非辐射复合增强和开路电压损失。与此同时，晶界和表面的配位不饱和Pb及卤素空位会进一步加速离子迁移和器件退化，使WBG子电池成为限制全钙钛矿叠层效率与稳定性的关键环节。

已有胺类以及磷酸/膦酸类添加剂能够调节结晶或钝化部分缺陷，但宽带隙体系仍需要一种可同时覆盖不同缺陷、控制晶体取向并改善界面能级的分子策略。基于这一需求，本研究将兼具胍鎓和含磷酸基组分的磷酸胍（GP）引入前驱体，通过氢键、Pb–O–P配位和分子偶极等多重作用，协同调节缺陷、离子迁移、结晶行为与界面电荷提取。

成果介绍

南华大学周贤勇、刘畅和王行柱团队采用理论计算、光谱表征、原位光致发光、GIWAXS及器件电学测试，系统揭示了GP对宽带隙钙钛矿的多尺度调控作用。GP处理后的1.78 eV器件将光电转换效率由19.72%提升至21.54%，填充因子达到86.40%；在所统计的带隙为1.74–1.79 eV的器件中，该效率属于已报道的最高效率之一。该策略可拓展至1.85 eV钙钛矿体系并获得19.64%的效率，同时支持28.72%的全钙钛矿叠层器件。未封装器件在N2中储存1400 h后仍保持初始效率的90.64%，MPP运行测试也显示出更缓慢的衰减。该工作以“Phase Separation Suppression by Guanidine Phosphate Enables 21.54% Wide-Bandgap Perovskite Cells for All-Perovskite Tandem Solar Cells”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、GP通过氢键与Pb–O–P配位等作用协同缓解Pb/卤素相关缺陷，并促进（100）择优取向结晶。

2、太阳光强度照射30 min后，对照薄膜PL谱明显偏移，而GP处理薄膜保持稳定，显示出更好的相稳定性。

3、1.78 eV器件效率由19.72%提升至21.54%，填充因子达到86.40%；该效率在其统计范围内位列已报道最高效率之列。

4、策略拓展至1.85 eV器件后实现19.64%，并支持28.72%的全钙钛矿叠层器件，同时改善宽带隙器件储存和MPP运行稳定性。

本文要点

要点一

GP分子多位点配位并实现钙钛矿晶面选择性缺陷钝化

图1：(a) 钙钛矿太阳能电池（PSC）器件结构示意图；(b) GP 优化钙钛矿与对照钙钛矿的能级排列；(c)、(d)、(e) 和 (f) GP 分子分别吸附于宽带隙钙钛矿的（100）、（110）和（111）晶面，并呈现不同的吸附能；(g) GP 添加剂的静电势（ESP）分布；(h) GP–钙钛矿界面相互作用的理论计算分析，包括电荷密度分布和吸附能（Eads）。

图1首先给出了倒置器件结构及GP处理前后的能级关系。UPS结果显示，钙钛矿价带顶由−6.27 eV上移至−5.95 eV，减小了与空穴传输层之间的能级差。理论计算表明，GP具有4.65 Debye的分子偶极，并可在钙钛矿表面引发电荷重排。GP在（100）晶面上的吸附能为−1.83 eV，强于其在其他考察晶面上的相互作用，因此能够改变晶面生长速率并促进（100）择优取向。这些结果说明GP不仅参与缺陷调控，也可同步优化结晶方向和界面电荷提取。

要点二

GP调控钙钛矿结晶动力学并抑制界面非辐射复合

图2：(a) GP 修饰与未修饰钙钛矿薄膜中 Pb 4f 轨道的 XPS 分析；(b) 纯 GP 与掺入 GP 的钙钛矿中 P 2p 轨道的 XPS 光谱对比；(c) GP 及 GP–PbI₂ 复合物中 P=O 键和氨基的 FT-IR 振动模式；(d) 对照组和 GP 处理钙钛矿薄膜的稳态光致发光（PL）光谱；(e) 和 (f) 对照组与 GP 处理钙钛矿薄膜的时间依赖光致发光衰减动力学；(g) 对照样品与 GP 修饰宽带隙钙钛矿薄膜的时间分辨 PL 光谱等高线图；(h) 对照样品与 GP 修饰钙钛矿薄膜在退火过程中的原位 PL 测试。

Pb 4f、I 3d和P 2p的XPS变化以及P=O、P–O和氨基振动峰的FT-IR位移，共同支持GP在退火后仍保留于薄膜中并与钙钛矿发生相互作用。 胍鎓和含磷酸基组分通过氢键及Pb–O–P配位协同缓解Pb/卤素相关缺陷。GP处理薄膜表现出更强的稳态PL和更长的TRPL寿命；在太阳光强度持续照射30 min后，对照薄膜PL峰明显移动，而GP处理薄膜保持稳定，直接表明光诱导相分离受到抑制。原位PL还显示GP使成核过程更加平缓，并在退火阶段减少缺陷相关的载流子损失。

要点三

GP促进晶粒均匀生长并构筑致密低粗糙度薄膜

图3：(a) 对照钙钛矿薄膜和 (b) 目标钙钛矿薄膜的 SEM 形貌图，比例尺为 1μm；(c) 对照组与 GP 修饰钙钛矿薄膜的 XRD 图谱对比；(d) 对照钙钛矿薄膜的 GIWAXS 图谱；(e) GP 处理钙钛矿薄膜的 GIWAXS 图谱；(f) 和 (g) 宽带隙钙钛矿薄膜在 qxy 和 qz 方向上的 GIWAXS 线切割曲线；(h) 和 (i) 对照钙钛矿薄膜与 GP 处理钙钛矿薄膜的 AFM 表面形貌图。

SEM显示GP处理后薄膜更均匀、致密和平整。XRD中（100）衍射峰增强并变窄，同时残余PbI₂信号降低。GIWAXS进一步显示，GP处理薄膜沿面外方向的（100）峰更强、更集中；与非理想中间相相关的qz≈0.5 Å-1信号显著减弱，而qz≈0.9 Å-1处的三维钙钛矿（100）取向信号增强。AFM测得的均方根粗糙度同步降低。多种结构表征相互印证，说明GP能够调控成核与晶体生长，减少非理想相并形成取向更明确、表面更平整的宽带隙钙钛矿薄膜。

要点四

宽带隙单结性能提升并实现高效率全钙钛矿叠层器件集成

图4：(a) GP 处理钙钛矿太阳能电池的截面 SEM 图；(b) 在 AM 1.5G 标准光照条件下（100 mW cm-2），基于 1.78 eV 钙钛矿的对照器件和 GP 修饰器件的正向/反向扫描 J–V 曲线；(c) 两类器件在最大功率点（MPP）处的稳态功率转换效率（PCE）；(d) 反向扫描条件下器件 PCE 的统计分布，每组包含 20 个器件；(e) 基于 1.85 eV 钙钛矿的对照 PSC 与 GP 处理 PSC 的正向/反向扫描 J–V 曲线；(f) 本工作与已报道的 1.74–1.79 eV 钙钛矿器件 PCE 对比，其中红色五角星代表本工作，绿色圆点代表文献报道结果；(g) 全钙钛矿叠层太阳能电池的器件结构示意图；(h) 最优全钙钛矿叠层器件在正向和反向电压扫描下的 J–V 曲线；(i) 全钙钛矿叠层器件的外量子效率（EQE）光谱。

在1.78 eV倒置器件中，对照组反扫Voc、Jsc、FF和PCE分别为1.28 V、18.70 mA cm-2、82.38%和19.72%；GP处理器件对应达到1.31 V、19.03 mA cm-2、86.40%和21.54%，稳态效率由19.54%提升至21.12%。21.54%的转换效率在所统计的1.74–1.79 eV器件中为最高已报道效率。将GP策略拓展至1.85 eV体系后，器件效率由18.36%提升至19.64%。进一步将1.78 eV宽带隙子电池与1.25 eV窄带隙子电池集成，所得全钙钛矿叠层器件反扫效率达到28.72%，正扫效率为28.08%；20个独立器件的平均效率为27.77%，且上下子电池的积分电流密度匹配良好。

要点五

缺陷钝化改善载流子动力学并增强器件环境与热稳定性

图5：(a) GP 处理与未处理样品的空间电荷限制电流（SCLC）特性；(b) 有无 GP 修饰器件的暗态 J–V 特性对比；(c) 对照组与 GP 优化宽带隙钙钛矿太阳能电池的电化学阻抗谱（EIS）分析；(d) 瞬态光电压（TPV）衰减动力学；(e) 瞬态光电流（TPC）弛豫动力学；(f) GP 处理样品与参照样品的接触角测试；(g) 未封装 GP 器件在室温、相对湿度为 30%–40% 的空气环境中的稳定性；(h) 未封装对照器件与 GP 修饰器件在室温氮气环境中的稳定性；(i) 未封装对照器件与 GP 修饰器件在 85 ℃、相对湿度为 30%–40% 条件下的热稳定性。

SCLC测试中，陷阱填充极限电压由0.35 V降至0.28 V，表明GP降低了陷阱相关损失。瞬态光电压寿命由1.40 μs延长至2.87 μs，而瞬态光电流传输时间由0.92 μs缩短至0.41 μs，说明非辐射复合受到抑制且电荷提取加快。GP还将薄膜接触角由54.8°提高至61.7°。在室温、30–40% RH空气中放置超过800 h后，未封装GP器件保持初始效率的84.4%；在N₂中储存1400 h后保持90.64%，而对照器件为79.98%。

本文小结

本工作提出了一种面向宽带隙混卤钙钛矿的多维度添加剂调控策略。磷酸胍通过氢键、Pb–O–P配位和分子偶极等作用，协同缓解Pb/卤素相关缺陷，抑制离子迁移与光诱导相分离，同时促进（100）择优取向并改善界面能级匹配。由此，1.78 eV器件获得21.54%的最高器件效率和86.40%的填充因子；策略可拓展至1.85 eV器件，并支持28.72%的全钙钛矿叠层器件。器件储存与MPP跟踪结果进一步显示稳定性得到改善。该研究表明，将缺陷化学、结晶动力学和界面能级纳入同一分子设计框架，是提升宽带隙子电池及全钙钛矿叠层器件性能的一条有效路径。

作者介绍

第一作者

黄传毅

南华大学电气工程学院硕士研究生。导师刘畅教授，研究生期间聚焦1.78 eV宽带隙钙钛矿的器件调控与光电机理研究。其中，以第一作者在Carbon Neutralization学术期刊上发表论文。

通讯作者

周贤勇

南华大学电气工程学院校聘教授，硕士生导师，博士毕业于南方科技大学（导师：徐保民教授），主要研究方向为钙钛矿太阳能电池材料和器件结构及制备方法优化，目前已在国际高水平期刊发表SCI论文40余篇，被引2300余次，H-Index 23，其中以第一作者和通讯作者在影响因子>10的国际高水平学术期刊发表论文19篇，包括Energy & Environmental Science（2篇），Advanced Materials（2篇）, Rare Metals, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials，ACS Nano等国内外高水平期刊。主持国家自然科学基金青年项目和湖南省教育厅重点项目各1项，参与国家自然科学基金面上项目、广东省联合基金重点项目及湖南省教育厅重点项目各1项。

通讯作者

王行柱

博导，国家级高层次领军人才，湖南省科技创新领军人才，湖南省杰出青年基金获得者，“新能源光伏与光储一体化技术”湖南省工程研究中心主任，香港浸会大学博士，剑桥大学博士后。先后在湘潭大学、新加坡国立大学和南方科技大学工作，目前为南华大学领军教授。长期从事光电子材料与器件方面的研究工作，在太阳能电池材料和光电子器件领域做出一系列原创性的工作，研究成果曾获国家自然科学二等奖和教育部优秀成果自然科学一等奖。作为项目负责人主持科技部重点研发计划项目1项，国家自然科学基金项目5项，省部级项目10余项。在国际专业类著名期刊Science, Nature Materials, Nature Energy, Nature Synthesis，J. Am. Chem.Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy & Environmental Science., Joule.等杂志发表学术论文230余篇，十余篇高被引论文，被同行引用6700多次；申请发明和实用新型专利80余项，并获得授权30项国家专利，60余次在国际、国内学术会议上做口头报告。任Energy Applications主编和Energy Materials副主编及其国际刊物Nano-Micro Letters, DeCarbon等杂多种志编委。

通讯作者

刘 畅

博士毕业于厦门大学/佐治亚理工学院，师从郑兰荪院士/谢兆雄教授，现为南华大学电气工程学院教授，博导，创新创业学院院长。长期从事钙钛矿光伏研究，已在低铅/无铅钙钛矿材料设计、绿色溶剂工艺开发、界面缺陷调控与固铅技术等方面取得一系列原创成果，发展了钙钛矿薄膜规模化和绿色化制备的关键制备技术，设计了高效载流子传输材料和低毒性钙钛矿新组分，实现了钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的同步提升，创新成果为钙钛矿太阳能电池的大规模产业化奠定了坚实基础。目前是湖南省湖湘青年英才，担任“新能源光伏与光储一体化技术”湖南省工程研究中心副主任。主持国家科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、青年项目、中国博士后基金面上项目等国家级和省部级科研项目7项。发表SCI论文80余篇，他引3800余次，作为第一/通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials（4篇）、Advanced Functional Materials（6篇）、Science Bulletin等国内外高水平期刊发表29篇论文，其中一区论文25篇，影响因子IF>10论文18篇，创新成果受到国内外研究者的广泛关注，先后被中科院院士、加拿大院士、澳大利亚工程院院士、长江学者、国家杰青等国内外著名科学家正面评价引用并被各类专业网站报道。申请国家发明专利25项，已获授权8项，包括国内授权发明专利5项，PCT国际授权专利3项，专利作价入股1项159.44万，研究成果获深圳市自然科学二等奖1项（排名第二）。在国际、国内学术会议上做口头报告20余次，任6种国内外刊物如Carbon Neutralization等期刊青年编委。现为国家自然科学基金评委、广东/湖南/山东/浙江等省自然科学基金评委、中国国际大学生创新大赛国赛评委。

团队优质文献推荐

(1) Kaixin Huang, Xianyong Zhou, Yintai Xu, et al. Enhancing crystallization and optimizing the buried interface via hydrophobic trifluoromethyl molecules for efficient Sn–Pb perovskite and all-perovskite tandem solar cells. Advanced Energy Materials, 2026, 16: e70910. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.70910

期刊介绍

发 展 历 程

2022年7月17日

期刊首刊发布仪式

2023年3月10日

期刊编委会在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛期间举办

2023年3月11日

高级编委聘任仪式在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛上举行

2023年5月

被国际知名学术期刊数据库DOAJ收录

2024年3月10日

助力第二届中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛

2024年4月16日

被ESCI数据库收录

2024年9月20日

助力2024纳米材料与器件创新发展大会

2024年11月16日

助力2024世界青年科学家峰会新能源技术论坛

2025年6月18日

获得首个影响因子=12

2025年7月18日

被EI数据库收录

2025年8月16日

被Scopus数据库收录

2025年8月21日

助力2025全省特种电池材料与技术重点实验室正式启动

2025年11月26日

2026年3月24日

入选新锐分区

2026年6月17日

2025影响因子=21.5

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊、新锐分区、JCR分区Q1，并获得2025影响因子21.5。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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