用户前沿丨南京航空航天大学/EPFL合作，Science！

▲第一作者：Likai Zheng、Mingyang Wei、Felix T. Eickemeyer、Jing Gao

通讯作者：Yimin Xuan、Michael Gr?tzel、Lukas Pfeifer

通讯单位：南京航空航天大学、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)

论文doi：10.1126/science.adt3417（点击文末「阅读原文」，直达链接）

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是近年来发展最快的光伏技术，认证效率已达26.7%。为实现单结电池超越肖克利-奎伊瑟极限，串联结构需结合宽禁带（WBG）钙钛矿顶电池与窄禁带（NBG）底电池。WBG钙钛矿不仅提升开路电压（V_OC），还可用于发光二极管和半透明建筑光伏。然而，WBG钙钛矿的非辐射复合和相分离问题导致其效率远低于理论极限。传统方法通过混合A位阳离子（如甲脒FA、甲胺MA、铯Cs）和X位卤素（I、Br、Cl）调节禁带宽度，但卤化物分布不均加速相分离，引发光诱导降解。

铷（Rb）掺入可改善钙钛矿均质性，但通常形成非钙钛矿相。本文通过应变工程，将Rb锁定于三卤化物（Cl/Br/I）钙钛矿晶格中，抑制相分离并促进卤化物均匀分布。结合氯离子的协同作用，WBG钙钛矿的光致发光量子产率（PLQY）达14%，准费米能级分裂（QFLS）约1.34 eV，对应器件??_????达1.30 V（理论值的93.5%），为同类材料中最低光电压损失。

1.本文通过创新性的应变工程策略，实现了铷（Rb）在三卤化物宽禁带钙钛矿中的稳定掺入，突破传统掺入易引发非钙钛矿相的瓶颈。研究发现，Cl的引入通过协同收缩晶格（晶格体积减少3%），与Rb形成离子半径互补效应，将Rb锁定于钙钛矿α相中，抑制相分离。

2.掺Rb薄膜的光致发光量子产率（PLQY）提升至14%，准费米能级分裂达1.34 eV，对应器件开路电压（??_????）达1.30 V，仅损失理论值的6.5%（90 mV），为同类材料最优。

3.此外，Rb掺入显著优化薄膜均质性：晶粒尺寸从336 nm增至393 nm，表面电势波动降低60%（Rq 69.9→28.2 mV），非辐射复合衰减时间延长55%（3.90→6.05 ms）。

4.应变机制的原位XRD与DFT计算揭示，Rb掺入依赖动力学锁定的晶格应变，脱离基板后应变释放导致非钙钛矿相析出，为材料设计提供全新视角。这一成果为宽禁带钙钛矿在串联电池中的应用奠定了关键基础。

图文解析

图1. 三卤化物WBG钙钛矿太阳能电池性能

要点：

1、器件结构与性能优化：器件结构为ITO/SnO/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au，掺入3% Rb后，效率（PCE）从19.65%提升至21.4%，??_????达1.29 V（图1B-E）。

2、低光强下高??_????：在11%光照强度下，??_????仍达1.22 V，表明非辐射复合显著抑制（图1D）。

3、稳定性验证：未封装器件在1太阳光（氙灯）下30分钟保持96.4%初始效率，高温（45℃）持续运行750小时后仍保留80%效率（图1H-I）。

4、本工作证明Rb掺入大幅提升器件效率与稳定性，??_????接近辐射极限，为WBG钙钛矿性能突破提供关键数据。

图2.钙钛矿薄膜的光谱与形貌特性

要点：

1、结晶性增强：掺Rb后，GIWAXS显示（100）和（200）晶面衍射峰增强，PbI信号消失，晶粒尺寸从336 nm增至393 nm（图2A-D）。

2、表面电势均一化：KPFM显示掺Rb薄膜表面电势波动（Rq）从69.9 mV降至28.2 mV，表明缺陷减少（图2E-F）。

3、非辐射复合抑制：稳态PL强度提高2.5倍，TRPL衰减时间从3.90 ms延长至6.05 ms，PLQY从5.8%增至14.4%（图2G-I）。

4、本工作证明，Rb掺入优化薄膜结晶质量与电荷传输，减少缺陷态密度，显著抑制非辐射复合。

图3.钙钛矿薄膜成分深度分布

要点：

1、PL光谱深度分析：未掺Rb薄膜的玻璃侧PL红移，显示带隙梯度；掺Rb后两侧光谱一致，表明成分均一（图3A）。

2、晶格常数均一化：GIXRD显示未掺Rb薄膜表面晶格收缩（28.66°→28.56°），掺Rb后晶格深度分布均匀（28.65°→28.62°）（图3B-C）。

3、元素分布调控：XPS显示掺Rb后Cs和Cl分布更均匀，Cl表面富集降低，减少局域电场波动（图3D-I）。

4、Rb通过平衡Cs和卤素分布，消除晶格梯度，实现薄膜体相与界面的成分均一化。

图4. 铷掺入的结构机制与应变效应

要点：

1、XRD与PL验证：掺Rb量达5%时，XRD峰位蓝移（晶格收缩），PL蓝移（带隙增大）；过量Rb引发非钙钛矿相（图4A-C）。

2、应变锁定机制：原位变温XRD显示掺Rb薄膜在80℃以上释放应变时形成非钙钛矿相，粉末样品中Rb以δ-RbPbI形式存在（图4D-G）。

3、DFT计算协同效应：Cl与Rb协同收缩晶格，THP中Rb掺入形成能降低0.07 eV，而单/双卤化物中掺入能升高（图4H-I）。

4、应变和Cl协同作用使Rb稳定掺入晶格，计算证实THP结构对Rb的独特包容性，为材料设计提供理论依据。

本文通过应变工程成功将铷（Rb）掺入三卤化物宽禁带钙钛矿晶格，解决了传统方法中Rb易形成非钙钛矿相的难题。研究表明，Cl的引入协同Rb收缩晶格，促进卤素均匀分布，抑制光诱导相分离。掺Rb薄膜的PLQY提升至14%，对应准费米能级分裂1.34 eV，器件??_????达1.30 V（理论93.5%），光电压损失仅90 mV，为同类材料最优。

原位XRD与DFT计算揭示，应变锁定是Rb掺入的关键机制：高温退火时晶格柔性增加，Rb占据A位；快速冷却后应变被动力学冻结，防止相变。脱离基板的粉末因应变释放导致Rb析出为非钙钛矿相，进一步验证应变的核心作用。此外，Rb优化了Cs和卤素分布，减少界面缺陷，显著提升器件稳定性。

该研究为宽禁带钙钛矿的设计提供了新思路，通过应变调控实现离子掺入与分布优化，推动串联太阳能电池效率向30%迈进。未来可拓展至其他碱金属或卤素体系，探索多维应变工程在光电材料中的应用潜力。

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Michael Gr?tzel院士南京航空航天大学宣益民院士等人通过创新性的应变工程策略，突破传统掺入易引发非钙钛矿相的瓶颈。文中利用爱丁堡光谱仪测得载流子迁移寿命，极大提高非辐射复合抑制。爱丁堡提供小型化的寿命光谱设备Mini-Tau，可放置于手套箱，杜绝水、氧的影响，欢迎咨询。

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