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研究背景

鈣鈦礦材料因其卓越的光電特性，尤其是在太陽能電池領域的應用，成為了研究熱點。然而，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）存在離子遷移和相分離等穩定性問題，這些問題嚴重制約了其效率提升和長期應用。尤其是在寬帶隙鈣鈦礦的串聯太陽能電池中，離子遷移和鹵化物分離現象尤為突出，這影響了設備的穩定性和效率。

為了應對這些挑戰，科學家們提出了多種策略，包括使用多價陽離子來增強靜電相互作用，抑制離子遷移。然而，多價金屬陽離子往往在鈣鈦礦中形成深能級陷阱，影響了器件的光電性能。因此，如何在不產生深能級陷阱的情況下有效抑制離子遷移和相分離，成為了該領域亟待解決的難題。

成果簡介

為此，西湖大學工學院王睿團隊以及浙江大學材料科學與工程學院薛晶晶研究員等人攜手在Nature Photonics期刊上發表了題為“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se₂?tandem solar cells”的最新論文。西湖大學–浙江大學聯合培養博士研究生田柳文（田蔚中）為論文第一作者，宣城先進光伏技術研究院、華晟新能源畢恩兵博士為共同第一作者。

團隊提出了一種創新的二價陽離子替代策略，采用亞甲基二銨陽離子（MDA²⁺）部分替代鈣鈦礦晶格中的A位陽離子，從而抑制了鈣鈦礦中的離子遷移和鹵化物分離。研究表明，MDA²⁺通過其二價狀態與無機框架之間的強靜電相互作用，顯著提高了離子遷移的能量屏障，有效抑制了離子遷移和光誘導的鹵化物分離。

實驗結果顯示，該方法顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和效率，單結鈣鈦礦太陽能電池在1.67–1.68 eV帶隙下實現了23.20%的冠軍PCE，認證效率為22.71%。此外，采用該策略的鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se₂串聯太陽能電池和半透明鈣鈦礦電池也分別獲得了30.13%和21.88%的PCE，進一步驗證了這一策略的有效性。

研究亮點

1. 實驗首次將亞甲基二銨陽離子（MDA²⁺）引入鈣鈦礦晶格，成功實現了二價陽離子替代策略，以抑制離子遷移和鹵化物分離。得到了：通過這一替代策略，顯著改善了寬帶隙鈣鈦礦材料的穩定性和效率。

2. 實驗通過在鈣鈦礦太陽能電池中使用MDA²⁺，通過強烈的靜電相互作用增強了陽離子與無機框架的結合力。結果：抑制了鹵化物離子的遷移和缺陷的形成，進而提高了光電轉換效率（PCE）和器件穩定性。實驗中，單結鈣鈦礦太陽能電池的PCE達到23.20%（認證效率為22.71%），展現出卓越的性能。

3. 實驗通過將MDA²⁺引入鈣鈦礦材料后，結合銅銦鎵硒（Cu(In,Ga)Se₂）材料制備疊層太陽能電池。結果：實現了高達30.13%的PCE，并展示了在柔性鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se₂串聯太陽能電池中23.28%的穩態PCE（認證效率為22.79%）。此外，半透明鈣鈦礦設備也達到了21.88%的PCE。

圖文解讀

圖1：不同有機A位陽離子與鈣鈦礦之間相互作用的理論研究。

圖2：MDA²⁺抑制離子遷移和鹵化物分離。

圖3：鈣鈦礦薄膜的光電性能改善。

圖4：光伏性能和器件穩定性。

結論展望

本文的研究為鈣鈦礦太陽電池的穩定性提升提供了新的思路和技術路徑。通過引入二價陽離子MDA²⁺替代A位陽離子，成功抑制了鈣鈦礦中的離子遷移和光誘導鹵化物分離問題，從而有效提高了光電轉換效率和器件的長期穩定性。這一策略通過增強MDA²⁺與無機子晶格的相互作用，增加了離子遷移的能量屏障，降低了缺陷密度，進而改善了鈣鈦礦薄膜的光電性能。研究還展示了該策略在單結鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/CIGS串聯光伏設備中的應用，分別取得了23.20%和30.13%的冠軍效率，推動了柔性光伏技術的發展。

這一工作不僅為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性提供了重要的理論依據和實踐指導，還為廣泛應用于光電器件中的多價陽離子替代策略開辟了新方向。此外，MDA²⁺的潛力也可能激發鈣鈦礦材料在其他光電應用領域的探索，進一步推動鈣鈦礦材料的商業化和多樣化應用。

文獻信息

Tian, L., Bi, E., Yavuz, I. et al. Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se₂ tandem solar cells.?Nat. Photon.?(2025).?

原創文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2025/02/13/668f59d572/

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