Nature Energy：利用硫氰酸根离子抑制宽禁带钙钛矿材料的相分离，实现25.06%效率的钙钛矿/有机叠层太阳能电池

一、【科学背景】

有机太阳能电池（OSCs）的认证转换效率（PCE）已经达到了19.4%。然而，它们的PCE和紫外稳定性仍然落后于硅太阳能电池等更成熟的光伏技术。这些挑战可以通过将OSCs与混合卤化物宽禁带（WBG）钙钛矿太阳能电池相结合来解决。后者可以耐受并利用短波长光，形成钙钛矿/有机叠层太阳能电池（TSCs）。这种双接面设备预计将比单接面电池实现更高的PCE，充分利用太阳能，并通过利用钙钛矿的紫外过滤功能来提高稳定性。然而，宽带隙钙钛矿中卤素空位辅助离子迁移产生的卤化物相偏析限制了器件的效率和寿命。

二、【科学贡献】

近日，苏州大学陈炜杰，李耀文和埃尔朗根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec团队在Nature Energy发表了题为“Suppression of phase segregation in wide-bandgap perovskites with thiocyanate ions for perovskite/organic tandems with 25.06% efficiency”的论文。本研究将伪卤素硫氰酸根（SCN）离子引入碘/溴混合卤化物钙钛矿中，并展示它们促进了晶化并减少了晶界。微量的SCN离子进入了钙钛矿晶格中，形成了I/Br/SCN合金，并占据了碘空位，通过空间位阻阻止了卤化物离子的迁移。综合考虑这些效应，在运行过程中延缓了卤化物相分离，并减少了宽带隙钙钛矿电池中的能量损失。由此产生的钙钛矿/有机叠层太阳能电池实现了25.82%的转换效率（认证为25.06%），并具有1,000小时的运行稳定性。

图1：调控钙钛矿的晶化。© 2024 Springer Nature

图2：伪三卤化物合金钙钛矿的特性。© 2024 Springer Nature

图3：离子迁移行为和卤化物相偏析。© 2024 Springer Nature

图4：单结电池和TSC的性能。© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

这项研究展示了伪卤素SCN-可以改善钙钛矿薄膜的质量，同时占据晶格中的V_I^·空位，阻止了薄膜的晶界和晶格中的卤化物离子迁移通道。受抑制的卤化物离子迁移可以防止在光照或电压偏置下，伪三卤化物合金化的WBG钙钛矿中发生卤化物相分离。由于这些特性，WBG钙钛矿太阳能电池实现了18.96%的转换效率和低能量损失。堆叠的钙钛矿/有机TSCs展示了25.82%的转换效率（认证为25.06%）和优异的最大功率点操作稳定性。预计这种伪三卤化物合金化策略将推动稳定钙钛矿/有机TSCs的发展。这一发现启示我们，利用伪卤素合金化策略可以改善钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性，促进其在实际应用中的进一步发展。

原文详情：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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