寬禁帶鈣鈦礦光伏材料因其帶隙可調(diào)，在室內(nèi)能量收集領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，其面臨一個(gè)根本性挑戰(zhàn)：在光照下，混合鹵化物鈣鈦礦會(huì)發(fā)生光誘導(dǎo)鹵化物相分離，導(dǎo)致材料內(nèi)部形成局部的富碘區(qū)和富溴區(qū)。這種現(xiàn)象不僅會(huì)造成顯著的開(kāi)路電壓損失，還會(huì)引發(fā)非輻射復(fù)合，并最終導(dǎo)致電池性能的快速衰減，嚴(yán)重制約了其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性與商業(yè)化進(jìn)程。美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過(guò)無(wú)接觸式測(cè)試，監(jiān)測(cè)各個(gè)工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究提出了一種創(chuàng)新的“局部電場(chǎng)抑制”策略。該策略通過(guò)引入多功能離子聚合物——聚季銨鹽-37（ATK），使其優(yōu)先分布于鈣鈦礦晶界。ATK分子通過(guò)其季銨基團(tuán)靜電錨定鹵素陰離子，同時(shí)通過(guò)羰基與鉛離子（Pb2?）配位，形成一種“雙重鎖定”的分子網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)能有效抑制鹵離子遷移、中和晶界處的電荷積累，從而從根源上抑制了導(dǎo)致相分離的局部電場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的寬禁帶鈣鈦礦光伏電池提供了一條普適性的解決方案。

創(chuàng)新策略：局部電場(chǎng)抑制

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本文提出了一種“局部電場(chǎng)抑制”策略：

材料選擇：使用離子聚合物ATK，其分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)包含季銨基團(tuán)和羰基

作用機(jī)制：

季銨基團(tuán)通過(guò)靜電作用錨定鹵素陰離子

羰基與鈣鈦礦中的鉛離子形成配位鍵

在晶界處構(gòu)建穩(wěn)定的雙鎖定網(wǎng)絡(luò)

穩(wěn)定機(jī)制與分子相互作用

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a) 晶界處離子遷移誘導(dǎo)的局部電場(chǎng)示意圖，以及ATK對(duì)局部電場(chǎng)的抑制。b) 鈣鈦礦薄膜和ATK處理后的鈣鈦礦薄膜的Pb 4f和I 3d的XPS譜圖。c) ATK及其與鈣鈦礦混合后的FTIR光譜。d) ATK及其與鈣鈦礦復(fù)合物的LF-NMR譜圖

化學(xué)相互作用

XPS顯示ATK處理后的薄膜Pb 4f結(jié)合能正移0.4 eV，I 3d負(fù)移0.3 eV，證實(shí)了ATK羰基與Pb2?的配位作用，以及季銨基團(tuán)對(duì)鹵陰離子的靜電固定。

FTIR證實(shí)羰基峰從1728 cm?1紅移至1711 cm?1，季銨基團(tuán)峰發(fā)生藍(lán)移，進(jìn)一步佐證了與鈣鈦礦的相互作用。

物理限制效應(yīng)

LF-NMR顯示ATK/鈣鈦礦復(fù)合物的橫向弛豫時(shí)間縮短，表明聚合物鏈運(yùn)動(dòng)受限，印證了ATK在鈣鈦礦內(nèi)部的纏結(jié)，形成了空間阻隔網(wǎng)絡(luò)。

局部電場(chǎng)的理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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a) ATK/鈣鈦礦界面的優(yōu)化構(gòu)型。b) 優(yōu)化后的ATK/鈣鈦礦界面的靜電勢(shì)分布圖。c) ATK引入后，沿z軸計(jì)算的局部電場(chǎng)分布。d) ATK/鈣鈦礦界面處平面平均的一維電場(chǎng)分布。e) 原始和ATK改性鈣鈦礦的KPFM圖。處理與未處理鈣鈦礦橫跨晶界的線掃描接觸電勢(shì)差。f) ATK處理和未處理鈣鈦礦的高分辨TEM圖像

理論計(jì)算表明，富碘端面比富溴端面引發(fā)更顯著的電場(chǎng)波動(dòng)。將ATK引入鈣鈦礦界面后，靜電勢(shì)分布顯著均質(zhì)化，界面處的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大幅降低。電子定域函數(shù)分析顯示，ATK中含氮和氧的基團(tuán)周圍電子密度富集，表明其與未配位Pb、I位點(diǎn)存在配位或靜電相互作用，促進(jìn)了界面電荷再分布，有效屏蔽和中和了晶界局部電場(chǎng)。

KPFM測(cè)試直接驗(yàn)證了該效應(yīng)，測(cè)試顯示晶界電勢(shì)差從15.10 mV降至2.34 mV。

HR-TEM分析顯示，未處理薄膜中存在溴/碘異質(zhì)結(jié)導(dǎo)致的晶格膨脹和起伏，而ATK改性樣品的晶格常數(shù)幾乎保持不變，其FFT圖樣斑點(diǎn)清晰銳利，與對(duì)照組模糊彌散的斑點(diǎn)形成鮮明對(duì)比，證實(shí)了LEFS策略對(duì)鈣鈦礦晶格和相分離的穩(wěn)定作用。

鹵化物遷移與相分離抑制

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a) 處理和未處理鈣鈦礦薄膜在晶界處的鹵素離子含量分布統(tǒng)計(jì)。b, c) 處理和未處理鈣鈦礦薄膜晶界處的Br和I分布的EDX結(jié)果。d, e) 原始和ATK處理的鈣鈦礦橫向電池的溫度依賴性電導(dǎo)率。f, g) 光照下原始和ATK處理鈣鈦礦薄膜的原位PL光譜。h, i) 光照后原始和ATK處理鈣鈦礦薄膜的原位UV-vis光譜

EDX線掃描表明，ATK處理薄膜在晶界處保持了均勻的鹵化物分布，而未處理薄膜則在晶界處出現(xiàn)Br富集和I耗竭。

溫度依賴性電導(dǎo)測(cè)量顯示，ATK將離子遷移的活化能從0.49 eV提升至0.83 eV，凸顯了其化學(xué)錨定和聚合物限制在固定鹵離子方面的協(xié)同效應(yīng)。

原位PL和UV-vis光譜表明，在連續(xù)AM 1.5G光照下，未處理樣品的PL發(fā)射峰紅移13.25 nm，而ATK處理樣品僅紅移4.84 nm。UV-vis吸收光譜也顯示處理后的薄膜在光照后保持高度穩(wěn)定。這些結(jié)果證明LEFS策略有效減輕了導(dǎo)致相分離的光誘導(dǎo)鹵化物再分布。

弱光穩(wěn)定性與缺陷態(tài)分析

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a, b) 不同光照后，未處理與處理鈣鈦礦橫跨晶界的線掃描接觸電勢(shì)差。c) 處理和未處理鈣鈦礦薄膜在標(biāo)準(zhǔn)與弱光照射下的歸一化PL峰位移。d) 原始和ATK處理鈣鈦礦薄膜光照后的原位烏爾巴赫能量。e, f) 原始和目標(biāo)電池在不同光照下的陷阱態(tài)密度曲線。g, h) 原始和目標(biāo)電池在不同光照下的DLCP曲線

在不同光強(qiáng)下進(jìn)行的KPFM、原位PL和Urbach能量測(cè)試表明，即使在弱光下，ATK處理薄膜也能保持均勻的表面電勢(shì)和極小的相分離程度，且缺陷態(tài)在暗態(tài)恢復(fù)過(guò)程中幾乎無(wú)變化，顯示出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可逆性。

tDOS和DLCP分析證實(shí)，ATK處理電池在所有光照條件下的深能級(jí)陷阱密度均顯著降低，尤其在弱光下，陷阱密度與暗態(tài)幾乎一致，證明了LEFS策略賦予的強(qiáng)大缺陷耐受性。

電池性能與穩(wěn)定性

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a, b) 在AM 1.5G和室內(nèi)光照射下，原始和ATK處理電池的反向掃描J-V曲線。c) 在兩種光照模式下，LEFS帶來(lái)的PCE和VOC增益對(duì)比。d) 在1000 lux白光LED照射下，代表性鈣鈦礦與非鈣鈦礦室內(nèi)光伏效率對(duì)比。LHP：鉛鹵化物鈣鈦礦；THP：錫鹵化物鈣鈦礦；OPV：有機(jī)光伏；DSSC：染料敏化太陽(yáng)能電池；a-Si:H：氫化非晶硅。e) 近年來(lái)已報(bào)道的鈣鈦礦室內(nèi)光伏的VOC × FF匯總。f) 原始和目標(biāo)倒置電池的ISOS-L穩(wěn)定性測(cè)試。g) 原始和目標(biāo)鈣鈦礦室內(nèi)光伏的ISOS-LC穩(wěn)定性測(cè)試

基于LEFS策略制備的倒置寬帶隙光伏電池表現(xiàn)出色：

標(biāo)準(zhǔn)光照：冠軍PCE為22.86%，VOC為1.26 V，JSC為22.46 mA cm?2。

室內(nèi)光照(1000 lux)：在1000 lux白光LED下，冠軍PCE高達(dá)43.19%，VOC為1.08 V，F(xiàn)F為85.29%。

載流子動(dòng)力學(xué)：TPC和TPV測(cè)量表明，ATK處理電池具有更高效的載流子提取和更慢的電壓衰減，反映了非輻射復(fù)合的抑制。

穩(wěn)定性突破：在ISOS-L測(cè)試中，ATK電池在1447小時(shí)后仍保持90%初始PCE，而對(duì)照組在663小時(shí)后降至50%。在模擬日夜循環(huán)的ISOS-LC測(cè)試中，ATK電池的 extrapolated T??壽命超過(guò)10,000小時(shí)，遠(yuǎn)優(yōu)于對(duì)照組的3787小時(shí)。

本研究成功開(kāi)發(fā)了一種局部電場(chǎng)抑制策略，通過(guò)在鈣鈦礦晶界構(gòu)建分子級(jí)雙重鎖定網(wǎng)絡(luò)，有效抑制了局部電場(chǎng)積累，從而阻止了寬帶隙鈣鈦礦中的光誘導(dǎo)相分離。該策略通過(guò)協(xié)同的羰基-Pb2?配位和季銨基-鹵離子靜電作用，提高了離子遷移勢(shì)壘，中和了晶界電荷積累。最終，電池在標(biāo)準(zhǔn)光照和室內(nèi)光下分別實(shí)現(xiàn)了22.86%和43.19%的效率，并具備超過(guò)10000小時(shí)的預(yù)計(jì)使用壽命。這項(xiàng)工作為穩(wěn)定混合鹵化物寬帶隙鈣鈦礦提供了一條普適性策略，為高性能室內(nèi)光能收集電池的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀

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大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過(guò)非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時(shí)清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無(wú)缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測(cè)缺陷：檢測(cè)速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識(shí)別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀采用無(wú)接觸式測(cè)試方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Stopping Phase Separation Enables Durable Wide-Bandgap Photovoltaic Perovskites

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