Edward Sargent领衔，多位大佬参与，钙钛矿，最新Nature！4位​中国留学生一作！​

钙钛矿的可调带隙和易于制造使其对多结光伏具有吸引力。然而，光诱导的相分离限制了它们的效率和稳定性。这发生在宽带隙(> 1.65 eV) I/Br混合钙钛矿吸收剂中，并且在需要2.0 eV带隙吸收剂的三结太阳能光伏电池的顶部电池中变得更加严重。

这里，多伦多大学Edward Sargent教授联合洛桑联邦理工学院Michael Grätzel、阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf教授以及北卡罗来纳大学黄劲松教授等人报道了I/Br混合钙钛矿中的晶格畸变与相分离的抑制相关，由于A位阳离子和碘化物之间的平均原子间距离减小，产生了增加的离子迁移能垒。使用顶部子电池中具有大晶格畸变的约2.0 eV Rb/Cs混合阳离子无机钙钛矿，作者制备了全钙钛矿三结太阳能电池，并在3.21 V的开路电压下实现了24.3%的效率(23.3%的认证准稳态效率)。这是首次报道的钙钛矿基三结太阳能电池的认证效率。三结器件在最大功率点工作420小时后，仍能保持80%的初始效率。该工作以题为“Suppressed phase segregation for triple-junction perovskite solar cells”发表在《Nature》上，王在伟、曾乐蔚、祝桐和陈昊为共同一作。

【设计思路】

作者注意到，之前报道的大多数I/Br混合钙钛矿成分表现出被抑制的光诱导相分离（LIPS），其晶格畸变增大：这是通过掺杂较小的a位阳离子，也可以通过增加较大的X位碘阴离子含量来实现的。基于这一观察结果，作者假设晶格畸变增加了离子迁移能垒，从而抑制了LIPS（图1a）。

图1. Rb/Cs混合阳离子无机钙钛矿的特性

作者发现，Rb可以掺杂到钙钛矿晶格中，且Rb掺杂含量的上限与Br含量呈正相关。Rb⁺晶格掺杂扩大了无机钙钛矿的带隙，意味着Rb/Cs固溶溶液需要更高的I含量才能达到~2.0 eV的带隙。~2.0 eV 87 Rb/Cs混合阳离子无机钙钛矿的晶格畸变程度大于的Cs基同类钙钛矿，LIPS被抑制。在各种吸收体中，Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25的带隙为~2.0 eV，与其他掺杂Rb的无机钙钛矿相比，提供了最高的V_OC。因此，作者使用Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25作为目标~2.0 eV Rb/Cs混合阳离子钙钛矿样品。

【抑制LIPS】

作者在1-sun光照（AM 1.5G）条件下，对封装的CsPbI_1.4Br_1.6、CsPbI_1.75Br_1.25和Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25钙钛矿薄膜进行了时间依赖性的光致发光（PL）测量。结果表明，碘化物含量较高的CsPbI_1.75Br_1.25薄膜比CsPbI_1.4Br_1.6薄膜具有更弱的LIPS，而~2.0 eV Rb/Cs混合阳离子钙钛矿Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25表现出最好的光稳定性。I/Br混合无机钙钛矿晶格畸变的增加增加了I位畸变。这与平均A···I原子间距离的减小有关，这增强了离子迁移能垒，抑制了离子迁移和LIPS。

图2. 抑制LIPS的现象和机理

【2.0 eV单结钙钛矿太阳能电池】

由于~2.0 eV钙钛矿是全钙钛矿中TJSCs的顶部子电池的理想吸收剂，作者比较了~2.0 eV CsPbI_1.4Br_1.6和Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25设备的性能。对于2.0 eV CsPbI_1.4Br_1.6的器件，PCE为12.59%，V_OC为1.288 V（图3a）。而Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25器件的PCE增加到13.41%，V_OC为1.312 V。它们稳定功率输出（SPO）效率分别为12.1%和13.3%（图3b）。对54个器件的光伏参数进行统计分析，发现高性能Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25器件的重现性（图3c）。此外，Rb_0.15Cs_0.85PbI_1.75Br_1.25样品与CsPbI_1.4Br_1.6钙钛矿（1.318 ± 0.054 eV）相比，高费米能级分裂QFLS（1.417 ± 0.004 eV）的空间分布较窄（图3d），这表明非辐射重组减少。

图3. 2.0 eV单结钙钛矿太阳能电池的光伏性能

【全钙钛矿三结太阳能电池】

作者进一步使用~2.0 eV Rb/Cs混合阳离子无机钙钛矿作为一个整体的全钙钛矿三结太阳能电池（TJSC）的顶部子电池的吸收体。TJSC的配置为ITO玻璃/NiO_x/Me-4PACz/2.0 eV无机钙钛矿（170 nm）/PEAI-EDAI₂/PCBM/PEIE/SnO_x/ITO/NiO_x/Me-4PACz/1.6 eV钙钛矿（780 nm）/PEAI-EDAI₂/PCBM/PCBM/PEIE/SnO_x/Au/PEDOT：PSS/1.22 eV SnPb钙钛矿（870 nm）/C60/SnO_x/Ag（图4a）。图4b为冠军全钙钛矿TJSC的J-V曲线。反向扫描的PCE为24.33%，V_OC为3.215 V，短路电流（J_SC）为9.71 mA/cm²，填充因子（FF）为77.93%。作者在独立的PV校准实验室（NREL）中获得了23.29%的认证PCE（图4c），据作者所知，这是第一个报告的全钙钛矿三结太阳能电池的认证PCE。从TJSC的EQE测量中，~2.0 eV、~1.6 eV和~1.22 eV电池的综合J_SC值分别为10.18、9.95和9.31mA/cm²（图4d）。通过新钙钛矿的钝化策略、改善界面接触和光管理的优化，全钙钛矿TJSCs的效率将进一步提高。作者还监测了封装的TJSC在最大功率点跟踪条件下，以及在环境大气下连续AM 1.5G的单太阳照明下的性能（图4e）。基于Rb/Cs混合阳离子钙钛矿的优化装置在连续运行420小时后保留了其初始PCE的80%。进一步分析表明，2.0 eV Rb/Cs钙钛矿在450 h MPP跟踪后发生相分离。这些结果表明，虽然Rb的掺入为降低光诱导的相分离提供了一个很有前途的途径，但是本课题将受益于进一步的研究，以走向一个长期运行寿命的解决方案。

图4. 全钙钛矿TJSCs的光伏性能和稳定性

总结，作者将~2.0 eV Rb/Cs钙钛矿应用于全钙钛矿TJSCs中，获得了24.3%的效率（23.29%认证的准稳态效率）。作者的全钙钛矿TJSC在室温温度下和AM 1.5G 1个太阳光照下的最大功率点下运行420小时后，保持了其初始效率的80%。该工作为设计高效的钙钛矿光伏器件提供了新的思路和途径。

名称：材料科学前沿

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