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研究背景

全無機鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優異的光電性能和較低的制造成本，成為了近年來的研究熱點。相比傳統的有機-無機雜化鈣鈦礦，采用無機陽離子（如Cs⁺）取代有機陽離子（如甲銨基（MA⁺）和甲脒（FA⁺））的全無機鈣鈦礦具有更高的熱穩定性和光穩定性。然而，無機鈣鈦礦在成膜過程中存在薄膜結晶不均勻、深陷阱態和較差的光熱穩定性等問題，這些問題嚴重制約了其在高效、穩定太陽能電池中的應用，尤其是在全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池中的應用仍面臨瓶頸。

成果簡介

為了解決這些問題，華南理工大學嚴克友等人在Nature期刊上發表了題為“Durable all inorganic perovskite tandem photovoltaics”的最新論文。他們提出了一種綠色配體演變（LE）策略，通過在低溫階段使用對甲苯磺酰肼（PTSH）作為配體調控鈣鈦礦薄膜的成核結晶，在高溫處理過程中還原Sn⁴⁺為Sn²⁺，有效減少了深能級陷阱態，同時配體生成的產物對甲苯磺酸（PTSA）進一步鈍化了薄膜缺陷。該策略顯著提升了無機窄帶隙鈣鈦礦（CsPb0.4Sn0.6I3）的光電性能，并成功制備出了帶隙為1.31 eV的鈣鈦礦太陽能電池，獲得了17.41%的破紀錄效率。

基于此，團隊進一步結合帶隙為1.92 eV的CsPbI2Br頂電池，成功構建了2端全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池，達到了22.57%的效率（認證為21.92%）。這一研究成果不僅解決了無機鈣鈦礦薄膜的成膜問題，還有效提升了其穩定性，為全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池的高效穩定發展提供了新的理論依據和技術路徑。

研究亮點

（1）實驗首次采用綠色配體演變策略，調控全無機窄帶隙鈣鈦礦薄膜的成核結晶，成功制備了全球首個2端全無機鈣鈦礦疊層電池，并解決了無機窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池效率較低的問題。通過采用對甲苯磺酰肼（PTSH）作為配體，在低溫處理階段調控鈣鈦礦薄膜的結晶過程，在高溫處理階段將Sn⁴⁺還原為Sn²⁺，減少深陷阱態，提升薄膜質量。

（2）實驗通過優化鈣鈦礦薄膜成核過程及引入配體鈍化缺陷態，制備了帶隙為1.31 eV的CsPb0.4Sn0.6I3無機窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池，獲得了17.41%的破紀錄效率。進一步將該無機窄帶隙電池與帶隙為1.92 eV的CsPbI2Br頂電池結合，成功構建了2端全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池，整體效率達22.57%（認證為21.92%）。

（3）實驗通過光熱穩定性測試，驗證了該2端全無機鈣鈦礦疊層電池的優異穩定性，在85℃光熱老化測試中保持80%的初始效率，表現出優于有機-無機雜化鈣鈦礦疊層電池的光熱穩定性。

圖文導讀

圖1：LE改善了無機NBG PSC的性能。

圖2：LE改善了鈣鈦礦的結晶和微觀結構。

圖3：監測LE的相互作用機制。

圖4：優化的2T IPTSC的PV和穩定性性能。

結論展望

全無機鈣鈦礦材料在提高光熱穩定性和熱穩定性方面具有顯著優勢，尤其在疊層太陽能電池中的應用，展示了其解決光熱穩定性差問題的潛力。本文通過用無機陽離子（如Cs+）替代有機陽離子（如甲銨基和甲脒）來制備全無機鈣鈦礦，成功克服了有機鈣鈦礦電池中的長期穩定性問題。這一策略不僅推動了全無機鈣鈦礦的高效應用，還為高效穩定的2端鈣鈦礦疊層電池的開發提供了新思路。

其次，配體演變策略的提出為無機窄帶隙鈣鈦礦的薄膜制備提供了新的技術路徑。通過調控配體演變，研究者成功調節了薄膜結晶過程，降低了深能級陷阱態，提高了鈣鈦礦電池的效率與穩定性。這一方法為解決低效薄膜和深陷阱態問題提供了重要的理論依據，也為進一步提升無機窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的性能打下了基礎。

文獻信息

Duan, C., Zhang, K., Peng, Z. et al. Durable all inorganic perovskite tandem photovoltaics. Nature (2024).

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