调控宽禁带钙钛矿面内堆叠取向的混合沉积法制备高效钙钛矿/有机叠层太阳能电池

针对宽禁带(WBG, >1.8 eV)钙钛矿在混合沉积中结晶控制不足的问题，研究人员通过引入正丙胺盐酸盐(PACl)调控(100)晶面取向生长，将1.84 eV钙钛矿太阳能电池效率提升至17.48%(Voc>1.315 V)，并创下钙钛矿/有机叠层电池26.46%的认证效率纪录。该工作为无毒溶剂规模化制备高性能叠层器件提供了新思路。

　　

在追求更高光电转换效率的道路上，钙钛矿基叠层太阳能电池因其突破单结器件理论极限的潜力而备受瞩目。目前钙钛矿/硅、钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/有机叠层电池已分别实现34.8%、30.1%和26.4%的纪录效率。然而，作为叠层电池关键组成部分的宽禁带(WBG, >1.8 eV)钙钛矿，其制备仍严重依赖含毒性溶剂（如DMF、DMSO）的溶液法，这不仅带来环境和健康隐患，更制约了产业化进程。如何开发绿色、可规模化的WBG钙钛矿制备工艺，成为推动叠层电池技术发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，新加坡国立大学太阳能研究所(SERIS)的研究团队创新性地采用真空辅助混合沉积法，通过引入正丙胺盐酸盐(PACl)调控晶体生长取向，成功制备出高效稳定的1.84 eV WBG钙钛矿，并实现钙钛矿/有机叠层电池26.46%的认证效率。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，为钙钛矿叠层电池的产业化发展提供了重要技术路径。

研究团队主要采用三项关键技术：1) 多源共蒸法沉积无机模板层(ITL)，精确控制PbI₂、PbBr₂和CsBr的蒸发比例；2) 同步辐射原位掠入射广角X射线散射(GIWAXS)实时监测退火过程中的晶体取向演变；3) 纳米级瞬态光电压(TPV)和瞬态光电流(TPC) mapping技术定量分析载流子动力学参数。研究还结合密度泛函理论(DFT)计算揭示了PACl的分子作用机制。

【晶体生长调控机制】
通过引入10 mol% PACl添加剂，研究人员发现钙钛矿(100)晶面呈现显著增强的面内堆叠。原位GIWAXS显示，PACl分子在退火过程中选择性占据(100)晶面（结合能比(110)晶面高0.38 eV），引导晶体沿平行衬底方向择优生长。这种取向调控使缺陷密度从0.86×10¹⁵ cm^-3降至0.65×10¹⁵ cm^-3，同时载流子扩散长度(L_D)超过233 nm的比例增加20%。

【光电性能提升】
优化后的1.84 eV钙钛矿电池实现17.48%的转换效率，开路电压(V_oc)突破1.315 V，Urbach能量(E_U)降至19.59 meV。TP-AFM mapping显示，PACl处理使载流子复合寿命(τ_r)超过0.36 μs的区域比例从86%降至18.5%，同时器件在空气中稳定性显著提升，δ相出现时间从10小时延迟至35小时。

【叠层电池集成】
将优化后的WBG钙钛矿作为顶电池与1.38 eV有机底电池（PM6:Y18体系，效率17.30%）集成，制备的两端叠层器件获得25.82%认证效率（活性面积0.05 cm²），在ISOS-L-1协议下进行400小时最大功率点(MPP)跟踪后仍保持90%初始效率。

这项研究通过分子工程策略解决了混合沉积法制备WBG钙钛矿的结晶控制难题，首次实现效率超过17%的>1.8 eV混合沉积钙钛矿电池，并创下钙钛矿/有机叠层电池的认证效率纪录。特别值得关注的是，该方法全程采用乙醇作为绿色溶剂，避免了传统工艺中DMF/DMSO的使用，为钙钛矿光伏技术的环境友好型产业化提供了重要参考。研究者提出的晶体取向调控机制——即通过挥发性添加剂临时占据特定晶面引导择优生长——也为其他溶液加工半导体材料的制备提供了普适性策略。该工作将推动钙钛矿叠层电池从实验室研究向规模化生产的跨越发展。