提升刮涂式宽光谱钙钛矿中卤素离子的均匀性

本文针对钙钛矿-有机叠层太阳能电池（TSC）中关键的宽禁带（WBG）钙钛矿前电池层存在的核心问题——卤素（溴/碘）在薄膜厚度方向上分布不均，开展了系统性研究。这种不均匀性并非由光照诱发的相分离引起，而是成膜初期就已存在的宏观现象：由于溴离子（Br⁻）比碘离子（I⁻）结晶更快，在气流淬灭刮涂过程中，溴富集相优先在薄膜表面形成，而碘富集相则堆积在底部，造成明显的垂直成分梯度。该梯度会引发亚带隙缺陷、加剧非辐射复合，显著降低开路电压（VOC），成为制约叠层电池效率提升的主要瓶颈。

为解决这一问题，研究人员没有沿用常规思路去抑制光照下的相分离，而是创新性地从成膜动力学源头入手。他们发现，传统溶剂DMSO对溴、碘的氢键作用差异小，无法有效调控二者结晶速率差。于是引入具有更强氢键供体能力的添加剂——甲酰胺（FM）。实验证明，FM与Br⁻之间的氢键作用（−5.61 kcal/mol）远强于与I⁻的作用（−4.38 kcal/mol），从而选择性地“锁住”溴离子，为其结晶设置一个可控的能量势垒，使其结晶速度减慢；而碘离子结晶相对较快，最终实现溴、碘两相的同步结晶。这一策略成功消除了垂直方向的卤素梯度，获得了成分高度均匀的WBG钙钛矿薄膜。

经多种深度分辨表征（如飞行时间二次离子质谱、深度依赖光致发光、掠入射广角X射线散射等）证实，添加甲酰胺后，薄膜从表面到内部的溴/碘比例几乎恒定，晶体结构单一，无相分离迹象。相应地，单结WBG钙钛矿太阳能电池（带隙1.86 eV）性能大幅提升：最高光电转换效率达18.9%，开路电压达1.41 V（较对照组提升0.1 V），填充因子和短路电流也同步优化。更重要的是，该工艺兼容大面积刮涂，所制备的10.4 cm²微型组件效率也从14.8%提升至15.9%，证明其具备工业化放大潜力。

在此基础上，研究人员将优化后的WBG钙钛矿电池与高性能有机电池（PM6:BTP-eC9，带隙1.35 eV）集成，构建了叠层器件。该叠层电池在反向扫描下获得26.3%的高效率（正向扫描26.1%），并经国家光伏质检中心独立认证为25.6%，是目前国际上认证效率最高的钙钛矿-有机叠层电池之一。此外，器件展现出优异的运行稳定性：在标准光照下连续工作1000小时后，效率仍保持初始值的92%。综上，本研究提供了一种从成膜机理出发、简单高效、可放大的新策略，为推动高效、稳定、可量产的叠层太阳能电池产业化迈出了关键一步。