晶界能带工程实现22.2%效率反式宽带隙钙钛矿太阳能电池【科学指南针·计算支持·2026】

山东大学陈召来、王亮、于伟泳课题组在《ACS Nano》发表创新研究成果，通过晶界能带工程策略成功实现空气中制备效率达22.2%的反式宽带隙钙钛矿太阳能电池。科学指南针为本研究提供差分电荷密度和功函数计算支持，助力界面钝化机理研究与能带结构解析。

研究背景与钙钛矿电池挑战

宽带隙钙钛矿太阳能电池是叠层太阳能电池的关键组成部分，但在环境空气中制备会引入大量晶界缺陷，阻碍电荷传输效率提升。钙钛矿材料因卤素空位呈现n型特性，需要构建n-p-n结结构实现载流子有效分离。

核心技术瓶颈：

• 空气中制备引入晶界缺陷，增加非辐射复合中心

• 钙钛矿n型特性需要特定能带结构优化载流子分离

• 传统p-n-p结结构不适用于n型钙钛矿材料

• 界面缺陷导致电荷复合，限制器件效率提升

• 环境稳定性差制约产业化应用

创新方法：晶界能带反转策略

研究团队提出晶界能带反转策略，采用二丁基二硫代氨基甲酸铅（PbDBuDTC）作为界面钝化剂，同步实现缺陷钝化和能带结构优化。

技术突破要点：

• PbDBuDTC分子实现钙钛矿空位缺陷高效钝化

• 能带工程将p-n-p结转为n-p-n结结构

• 促进光生载流子的空间分离与传输

• 抑制辐射复合损失提升量子效率

• 兼容空气中制备工艺降低生产成本

图1. 晶界处的能带示意图(a) 典型的p型吸收材料 (如Sb₂Se₃、CZTS、CdTe) 中有益的p-n-p结。(b) 典型的n型吸收材料 (如钙钛矿) 中有益的n-p-n结。符号“-”和“+”分别代表电子和空穴。“E”表示内建电场。

理论计算与机理解析

科学指南针支持的差分电荷密度和功函数计算深入揭示PbDBuDTC钝化机理和能带结构调控机制，为实验设计提供理论指导。

计算研究发现：

• 差分电荷密度分析显示PbDBuDTC与空位缺陷强相互作用

• 功函数计算证实钝化后能带结构发生反转

• Pb²⁺填充铅空位（V_Pb）结合能优化界面特性

• S/N填充碘空位（V_I）调节表面电子结构

• 能带弯曲方向反转促进电荷分离效率

图2

材料表征与性能验证

通过多种表征技术系统分析PbDBuDTC钝化效果和薄膜质量提升，证实晶界能带工程策略的有效性。

表征结果验证：

• XRD显示钝化后结晶质量提升，抑制PbI₂生成

• XPS证实S与未配位Pb²⁺间强配位作用

• SEM观察晶粒尺寸增大，表面形貌改善

• 接触角测试显示疏水性提升增强环境稳定性

• 薄膜质量优化为高效率器件奠定基础

图3

光电性能与器件优化

PbDBuDTC钝化处理后钙钛矿太阳能电池展现出卓越的光电性能和稳定性，实现效率与可靠性的协同提升。

性能卓越表现：

• 功率转换效率达到22.2%，为空气中制备宽带隙钙钛矿电池最高水平

• 开路电压（V_OC）、短路电流（J_SC）和填充因子（FF）同步提升

• PL和TRPL证实缺陷钝化显著改善载流子传输

• SCLC测试显示缺陷浓度显著降低

• EQE光谱响应范围拓宽，量子效率提升

稳定性突破：

• 未封装器件在25°C、30%RH条件下1000小时保持90.7%初始效率

• PbDBuDTC还原性抑制碘空位生成，增强化学稳定性

• 疏水性丁基链抵抗水分入侵，提升环境稳定性

• 连续光照测试显示优异运行稳定性

图4

图5

图6

机理研究与协同效应

晶界能带工程通过多重协同机制实现性能突破，为钙钛矿光伏技术提供新思路。

机制创新突破：

• 能带反转构建n-p-n结促进载流子分离

• 缺陷钝化减少非辐射复合中心

• 界面优化提升电荷提取效率

• 疏水保护层增强环境耐受性

• 还原性基团抑制碘迁移和氧化

应用前景与总结

晶界能带工程策略为高性能钙钛矿太阳能电池开发提供创新解决方案，推动光伏技术产业化进程。

创新价值总结：

• 能带工程与缺陷钝化协同优化器件性能

• 空气中制备工艺降低产业化门槛

• 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

• 实现高效率与高稳定性统一

应用前景：

• 钙钛矿-硅叠层太阳能电池开发

• 柔性光伏器件制备

• 建筑一体化光伏应用

• 大规模可再生能源发电

论文信息：ACS Nano

DOI：10.1021/acsnano.5c15499

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