TiCl4掺杂优化CsPbI2Br基钙钛矿太阳能电池：提升稳定性与性能的创新研究

针对CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池（PSCs）湿度稳定性差、开路电压（Voc）低等问题，研究人员通过TiCl4掺杂优化晶体生长，实现Pb位点Ti替代，显著提升薄膜稳定性（30天后PCE保持85%）并降低非辐射复合，使器件效率从14.23%提升至17.14%，为无机PSCs商业化提供新策略。

　　

背景与挑战
钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借26%以上的超高效率成为可再生能源领域的明星，但有机-无机杂化钙钛矿中挥发性甲铵（MA）和甲脒（FA）阳离子的热不稳定性，导致器件在高温下快速衰减。铯（Cs⁺）全无机钙钛矿（如CsPbI₂Br）虽具有1.91 eV理想带隙和优异热稳定性，却面临湿度敏感、晶相易转非光活性δ相（E_g=2.82 eV）及电压损失大等瓶颈。这些问题源于Cs⁺离子半径小导致的容忍因子（t<0.9）偏离稳定区间（0.9-1.0），以及晶格缺陷引发的非辐射复合。

研究方案与创新
沙特阿拉伯国王大学等机构团队提出通过TiCl₄掺杂B位Pb的策略，利用Ti⁴⁺（84 pm）比Pb²⁺（119 pm）更小的离子半径，调控晶体生长并钝化缺陷。研究以ZnO为电子传输层（ETL）、Spiro-OMeTAD为空穴传输层（HTL），系统优化TiCl₄掺杂浓度（0-0.6%），结合XRD、SEM和电化学测试分析结构-性能关系。

关键技术与方法

1. 薄膜制备：旋涂法沉积TiCl₄掺杂的CsPbI₂Br层，退火后形成致密晶体；
2. 器件组装：构建ITO/ZnO/CsPbI₂Br-TiCl₄/Spiro-OMeTAD/Au叠层结构；
3. 性能表征：通过J-V曲线、EQE测试效率，湿度箱评估稳定性；
4. 机理分析：XPS验证Ti替代Pb，PL光谱量化非辐射复合抑制效果。

研究结果

1. 相稳定性提升：0.4% TiCl₄掺杂使α相形成能降低，薄膜在30天湿度暴露后仍保持85%初始PCE；
2. 形貌优化：掺杂后晶粒尺寸减小至200 nm，表面孔隙率下降50%，电荷传输效率提升；
3. 性能突破：最优器件PCE达17.14%（未掺杂对照14.23%），V_oc提升至1.31 V，FF达81.14%；
4. 能级匹配：TiCl₄使钙钛矿价带顶从-5.41 eV上移至-5.28 eV，与HTL能级差缩小0.13 eV，减少界面复合。

结论与意义
该研究证实TiCl₄掺杂可同步解决CsPbI₂Br的相变、缺陷和能级失配三大难题：通过Ti⁴⁺取代Pb²⁺优化容忍因子，抑制δ相生成；钝化晶界缺陷使非辐射复合降低40%；能级重排促进电荷提取。这项工作为无机PSCs的产业化提供了兼具高效（19.34%叠层应用潜力）与高稳定性的材料设计方案，发表于《Surfaces and Interfaces》的成果也为其他宽禁带钙钛矿优化提供了新思路。