北航&國納&中石大AM：鉛衍生物前驅體工程破解鈣鈦礦“鹵素偏析”難題，器件效率21.3%+穩定性1500h+機械耐受雙突破

發表時間：2025-04-28 10:55

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主要內容：

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）以其**的光電轉換性能與溶液可加工性，成為光伏領域的研究焦點。為實現其**效率，精準調控帶隙（E_g）至關重要，而混合鹵素策略雖被廣泛應用，卻易引發相分離現象，導致效率衰減與長期穩定性下降。

針對這一挑戰，北京航空航天大學化學與環境學院張淵教授團隊、國家納米科學中心周惠瓊教授團隊與中國石油大學（華東）材料科學與工程學院李彥勛教授團隊聯合攻克難關，提出了一種創新的前驅體設計策略，通過調控鹵素分布均勻性，實現了鈣鈦礦材料相穩定性與機械性能的協同提升。

研究團隊基于鉛衍生物nPbI?:1PbX_A（X_A為特定陰離子基團）構建了高效前驅體體系，通過調控PbI?與PbBr?在前驅體中的結合偏好及強度，誘導形成穩定的-I-Br-I-Br-鏈狀結構，有效抑制了鈣鈦礦薄膜中的鹵素相分離。

基于此策略，團隊成功制備了一系列寬帶隙混合鹵素鈣鈦礦材料，其中基于CsPbI?.?Br?.?（E_g=1.74 eV）與Cs?.?FA?.?I?.?Br?.?（E_g=1.77 eV）的器件效率分別提升至21.3%與20.3%，且展現出優異的長期穩定性——在**功率點（MPP）持續光照1500小時后，效率保持率仍高于90%。

進一步研究發現，鹵素分布均勻性與鈣鈦礦材料的機械耐受性存在顯著正相關：均勻的鹵素分布可增強晶格穩定性，提升材料對壓縮與彎曲應力的抵抗能力。深度依賴的光致發光光譜（PL）與飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）分析表明，采用10PbI?:1PbBA復合前驅體（經嚴格篩選確定為**配比）制備的CsPbI?.?Br?.?薄膜，其鹵素分布均勻性較傳統方法提升顯著。結合深度分辨形貌表征與壓縮耐受性理論計算，團隊揭示了鹵素均勻化與力學性能提升的內在關聯：均勻的鹵素環境可降低晶界缺陷密度，抑制應力集中，從而增強材料的機械完整性。

基于上述發現，采用10PbI?:1PbBA前驅體的CsPbI?.?Br?.?（E_g=1.74 eV）與FA?.?Cs?.?PbI?.?Br?.?（E_g=1.77 eV）器件效率分別達21.34%與20.32%，且在1500小時MPP持續光照下效率衰減<10%，充分驗證了該策略在提升光電性能與穩定性方面的雙重優勢。

從應用前景看，本研究提出的鹵素均勻化策略為解決鈣鈦礦太陽能電池的光電響應、長期穩定性及機械可靠性難題提供了新范式，有望推動其在柔性電子、建筑一體化光伏（BIPV）及空間能源等領域的廣泛應用。

文獻信息：

Lead Derivative-Based Precursor Engineering Enables Halogen-Uniform Perovskite Solar Cells with Enhanced Stability and Mechanical Tolerance

Yaochang Yue, Weichao Zhang, Rongshen Yang, Yongqing Wang, Xin Bian, Chao Qu, Shengli Yue, Shilin Li, Wanfei Shi, Yanxun Li, Huiqiong Zhou, Yuan Zhang

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502277