Nature Energy：利用硫氰酸根離子抑制寬禁帶鈣鈦礦材料的相分離，實現25.06%效率的鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池

一、 【科學背景】

有機太陽能電池（OSCs）的認證轉換效率（PCE）已經達到了19.4%。然而，它們的PCE和紫外穩定性仍然落后于硅太陽能電池等更成熟的光伏技術。這些挑戰可以通過將OSCs與混合鹵化物寬禁帶（WBG）鈣鈦礦太陽能電池相結合來解決。后者可以耐受并利用短波長光，形成鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池（TSCs）。這種雙接面設備預計將比單接面電池實現更高的PCE，充分利用太陽能，并通過利用鈣鈦礦的紫外過濾功能來提高穩定性。然而，寬帶隙鈣鈦礦中鹵素空位輔助離子遷移產生的鹵化物相偏析限制了器件的效率和壽命。

二、【科學貢獻】

近日，蘇州大學陳煒杰，李耀文和埃爾朗根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec團隊在Nature Energy發表了題為“Suppression of phase segregation in wide-bandgap perovskites with thiocyanate ions for perovskite/organic tandems with 25.06% efficiency”的論文。本研究將偽鹵素硫氰酸根（SCN）離子引入碘/溴混合鹵化物鈣鈦礦中，并展示它們促進了晶化并減少了晶界。微量的SCN離子進入了鈣鈦礦晶格中，形成了I/Br/SCN合金，并占據了碘空位，通過空間位阻阻止了鹵化物離子的遷移。綜合考慮這些效應，在運行過程中延緩了鹵化物相分離，并減少了寬帶隙鈣鈦礦電池中的能量損失。由此產生的鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池實現了25.82%的轉換效率（認證為25.06%），并具有1,000小時的運行穩定性。

圖1：調控鈣鈦礦的晶化。? 2024 Springer Nature

圖2：偽三鹵化物合金鈣鈦礦的特性。? 2024 Springer Nature

圖3：離子遷移行為和鹵化物相偏析。? 2024 Springer Nature

圖4：單結電池和TSC的性能。? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

這項研究展示了偽鹵素SCN-可以改善鈣鈦礦薄膜的質量，同時占據晶格中的V_I^·空位，阻止了薄膜的晶界和晶格中的鹵化物離子遷移通道。受抑制的鹵化物離子遷移可以防止在光照或電壓偏置下，偽三鹵化物合金化的WBG鈣鈦礦中發生鹵化物相分離。由于這些特性，WBG鈣鈦礦太陽能電池實現了18.96%的轉換效率和低能量損失。堆疊的鈣鈦礦/有機TSCs展示了25.82%的轉換效率（認證為25.06%）和優異的最大功率點操作穩定性。預計這種偽三鹵化物合金化策略將推動穩定鈣鈦礦/有機TSCs的發展。這一發現啟示我們，利用偽鹵素合金化策略可以改善鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性，促進其在實際應用中的進一步發展。

原文詳情：Zhang, Z., Chen, W., Jiang, X. et al. Suppression of phase segregation in wide-bandgap perovskites with thiocyanate ions for perovskite/organic tandems with 25.06% efficiency. Nat Energy (2024).

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01491-0

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