王洪强教授、刘哲教授、李伟民副研究员， AEM：利用PbSe纳米晶异质外延实现高稳定性宽带隙钙钛矿太阳能电池

第一作者：姜昱卉 郭鹏飞

通讯作者：王洪强*，刘哲*，李伟民*

单位：西北工业大学，中国科学院深圳先进技术研究院

钙钛矿基叠层太阳能电池（如钙钛矿/硅或钙钛矿/CIGS叠层器件）能够突破单结效率极限、提升太阳能利用率。通过引入溴离子（Br⁻），能够提升钙钛矿的带隙，而应用于叠层电池的钙钛矿顶电池带隙通常为 1.65–1.7 eV。然而，引入Br^-后的混合卤素钙钛矿在光照下易发生光致相分离，导致器件开路电压和效率迅速下降，成为其商业化发展的主要障碍。研究表明，初始结晶不均匀与卤素空位是造成不稳定的关键。为解决这一问题，采用功能化纳米晶调控策略，利用其与钙钛矿晶格匹配的特性，诱导钙钛矿有序生长，提升薄膜质量与稳定性。然而传统湿化学法制备的纳米晶存在工艺复杂、表面有机配体残留、种类有限等问题，限制了其在钙钛矿体系中的应用。液相脉冲激光辐照技术（LPPL）作为新兴的纳米晶合成手段，具备无配体、高结晶度、适配性强、制备简便等优势。该技术基于目标材料对特定激光波长的吸收特性，实现高能注入与快速冷却，可在液相中直接合成高质量纳米晶，广泛适用于多种功能材料。本研究利用LPPL制备无配体PbSe纳米晶并引入混合卤素钙钛矿中，诱导其异质外延生长，显著改善钙钛矿薄膜结晶均匀性与光照稳定性。在宽带隙p-i-n结构器件中获得22.87%的效率，且在四端钙钛矿/CIGS叠层器件中效率达到28.24%，展现出优异的稳定性和产业化潜力。

基于此，西北工业大学王洪强教授、刘哲教授与中国科学院深圳先进研究院李伟民副研究院合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Heteroepitaxy with PbSe Nanocrystals Enables Highly Stable Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”的研究文章。该研究在钙钛矿前驱体溶液中引入无配体硒化铅（PbSe）纳米晶，通过异质外延生长机制调控混合卤化物钙钛矿的结晶过程。PbSe的加入显著提升了钙钛矿薄膜的均匀性并降低了缺陷密度，有效抑制了卤化物相分离。基于此，宽带隙（1.68 eV）钙钛矿p-i-n器件实现了22.87%的功率转换效率（PCE）和84.79%的填充因子（FF）。在1-sun持续光照下进行1000小时最大功率点（MPP）跟踪后，器件仍保持初始效率的88%。

图1. 光照下未植入和植入PbSe纳米晶的钙钛矿结晶过程及其光照稳定性的示意图。

研究者使用液相脉冲激光（LPPL）方法成功制备出无配体的PbSe纳米晶，平均粒径约为3 nm，表面呈现Se富集特性（Se²⁻含量达29%）。PbSe纳米晶在钙钛矿薄膜中均匀分布，并诱导钙钛矿沿其晶格方向异质外延生长。透射电镜（HRTEM）清晰观察到钙钛矿(200)面与PbSe(200)面的晶格匹配，证实了外延生长的发生。

图2.PbSe纳米晶体和PbSe植入的钙钛矿薄膜的性质。

要点二：相分离抑制与器件稳定性提升

在连续光照条件下，光致发光（PL）测试显示：对照组薄膜在5天内红移明显（从736 nm至768 nm），表现出典型的I/Br相分离。而掺杂0.015 mg/mL PbSe纳米晶的薄膜几乎无红移，说明其显著抑制了相分离；但浓度过高（如0.03 mg/mL）会引发结晶缺陷、降低稳定性。XRD测试未见特征峰分裂，SEM显示PbSe薄膜颗粒更大、表面更平整，进一步验证其结构稳定性。在此基础上，基于p-i-n结构制备的钙钛矿光伏器件，其开路电压提升至1.25 V，PCE达22.87%，高于对照组（19.45%）。在85°C热老化2000小时后效率保持80%以上，光照1000小时后仍保留88%初始效率，表现出优异的热稳定性与光稳定性。

图3.相分离的表征。

要点三：电子结构调控与4T叠层应用拓展

XPS与UPS分析表明，PbSe纳米晶可与Pb²⁺相互作用以填补卤素空位，钝化缺陷；同时使费米能级由−4.95 eV上移至−4.85 eV，有利于能级匹配和载流子传输。SCLC测试显示，陷阱态密度从1.87×10¹⁶ cm⁻³降至1.37×10¹⁶ cm⁻³，载流子寿命由133 ns提升至258 ns，证实了缺陷钝化效果。在此基础上，进一步拓展至半透明钙钛矿/CIGS的4T叠层结构，顶部钙钛矿电池效率达20.67%，底部CIGS达17.31%，整体PCE高达28.24%。PbSe调控不仅提升了效率，也增强了光谱响应与环境稳定性，展现良好工业化前景。

图4.钙钛矿薄膜的性质。

图5.太阳能电池的性能。

Heteroepitaxy with PbSe Nanocrystals Enables Highly Stable Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells

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国合专项、国家自然科学基金等项目10余项。入选英国皇家化学会会士和国际先进材料学会会士。

姜昱卉，西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心博士生（在读）。