王洪强教授、刘哲教授， CEJ：数据驱动解决混合卤素钙钛矿太阳能电池的光致相分离- 大数跨境

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王洪强教授、刘哲教授， CEJ：数据驱动解决混合卤素钙钛矿太阳能电池的光致相分离

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2025-07-14

导读：王洪强教授、刘哲教授， Chemical Engineering Journal：数据驱动解决混合卤素钙钛矿太阳能电池的光致相分离

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文章信息

数据驱动见解：混合卤素钙钛矿太阳能电池的光致相分离研究

第一作者：姜昱卉郑羽

通讯作者：王洪强*，刘哲*

单位：西北工业大学，阿尔法拉比哈萨克国立大学

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研究背景

近年来，钙钛矿叠层太阳能电池因其持续攀升的光电转换效率（PCE）而备受瞩目。然而，混合卤素宽带隙钙钛矿在光照条件下易发生相分离现象（富碘、富溴相），严重影响其光稳定性，进一步限制叠层电池的商业化。为抑制这一现象，研究者们尝试通过组分优化（尤其是A位阳离子与X位卤素共优化）以及界面修饰（减少载流子堆积与界面缺陷）等手段进行调控。然而，由于合成方法、实验条件和配比差异，当前文献中关于材料稳定性与性能的比较性不足。因此，建立一套高通量的筛选方法系统性研究钙钛矿组分和界面层对相分离的影响。为此，本研究采用数据驱动的方法，结合拉丁超立方采样（LHS）与高斯过程回归（GPR）机器学习模型，系统评估了A位（FA/Cs/MA）与X位（Br/I）配比对光致相分离现象的影响。通过建立大规模光照老化数据库，识别出一组最优配比的宽带隙钙钛Cs_0.24MA_0.02FA_0.74Pb(I_0.76Br_0.24)₃，带隙约为1.69 eV，并在此基础上进一步筛选了12种电荷传输层材料。结果发现，自组装单分子层（SAMs），特别是混合使用MeO-2PACz与Me-4PACz，不仅改善了钙钛矿的结晶质量和其与界面的粘附性，还显著抑制了相分离。在未引入其他钝化分子的前提下，最终器件的PCE达到21.18%，且在1000小时光照下仍保留85%以上初始效率，显示出优异的稳定性。

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文章简介

近日，西北工业大学王洪强教授、刘哲教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Data-driven insights to tackle photo-induced phase segregation for mixed-halide perovskite solar cells”的研究文章。该研究采用数据驱动方法，系统优化混合卤化物宽带隙钙钛矿的组成与界面结构。通过LHS与GPR模型筛选出稳定性优异的钙钛矿组分Cs_0.24MA_0.02FA_0.74Pb(I_0.76Br_0.24)₃，并引入混合自组装单分子层（SAMs）提升结晶质量与界面黏附性。构建的p-i-n器件实现21.18%效率，1000小时光照后仍保留85%初始性能。本文所采集的数据、模型和研究方法可在叠层电池设计中钙钛矿组分和界面层的选择提供有效支撑。

图1. 数据驱动筛选流程示意图

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本文要点

要点一：数据驱动的钙钛矿组分筛选

本研究构建了结合拉丁超立方采样（LHS）与高斯过程回归（GPR）的高通量筛选框架，系统探索A位（FA/Cs/MA）与X位（Br/I）比例对混合卤素钙钛矿的光致相分离现象的影响。通过分析25种不同组分的老化荧光峰位移动数据，绘制出稳定性三元图，成功筛选出相稳定性较好的组分区域，明确了A位阳离子对混合卤素钙钛矿相分离的影响趋势，并建立了机器学习模型，其适用于叠层电池设计时钙钛矿的组分选择。

图2. 用于稳定性的钙钛矿成分筛选

要点二：界面工程—混合SAMs增强稳定性

针对电荷传输层对器件稳定性的影响，系统研究12种上下界面材料，阐明了界面层在钙钛矿结晶质量、相分离和界面缺陷多元因素的共同影响机制，明确了混合自组装单分子层（MeO-2PACz 与 Me-4PACz）提升相稳定性的优势。XPS、UPS与剥离界面SEM图像揭示混合SAMs能增强钙钛矿与底电极之间的结合强度，诱导优质晶体生长，进而提升整体界面质量和载流子提取能力。

图3.电荷传输层的稳定性筛选

图4. 电荷传输层对钙钛矿埋底界面的影响

要点三：：高性能与高稳定性的器件实现

基于优化后的钙钛矿组分与混合SAM界面修饰，构建的p-i-n结构钙钛矿太阳能电池实现了21.18%的功率转换效率和1.255 V的开路电压，表现出优异的器件性能。在1-sun光照下进行1000小时跟踪后，器件仍保持85%的初始效率，该成果无需额外钝化分子，已展现出极佳的光稳定性与应用潜力。

图5.太阳能电池的性能。

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文章链接

Data-driven insights to tackle photo-induced phase segregation for mixed-halide perovskite solar cells

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165704

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通讯作者简介

王洪强教授简介：博士生导师，材料学院副院长。2008年获中科院固体物理研究所博士学位，后分别在日本产业技术综合研究所、德国马普胶体与界面研究所、德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心以及英国利物浦大学从事研究工作，2015年加入西北工业大学。长期从液相激光制造与低碳能源器件研究，已在Chem. Soc. Rev.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际重要期刊发表SCI论文130余篇，总引用6000余次，H因子45。申请中国、日本发明专利31项（授权21项）。主持国家重点研发计划项目、政府间国合专项、国家自然科学基金等项目20余项。入选英国皇家化学会会士和国际先进材料学会会士。

刘哲教授简介：博士生导师。于2012年和2016年分别获得新加坡国立大学学士和博士学位。2021年2月，全职加入西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心。此前，在美国麻省理工学院从事博士后研究工作，在新加坡-麻省理工学院联合研究中心担任研究员职务。主要科研方向为：基于材料信息学方法的光伏材料及器件研究。近五年，在光伏材料与工程领域，发表学术论文共30余篇，如Joule、Energy & Environ. Sci.、ACS Energy Lett., Matter等。