钙钛矿太阳能电池因其易于低成本印刷制备且具有高光电转换效率的优势，被视为新一代太阳能电池的典型代表，发展前景广阔。经过十六年的快速发展，其光电转换效率已从最初的3.8%提升至超过26%，逼近单晶硅太阳能电池水平，但与理论极限效率仍存在一定差距。实现高效率钙钛矿太阳能电池的关键要素之一是制备高质量钙钛矿半导体薄膜。甲基氯化铵（MACl）因能同时降低钙钛矿成核势垒并促进晶体高质量生长，被广泛作为钙钛矿薄膜生长的辅助材料。

近期，中国科学院半导体研究所游经碧研究员领导的团队发现基于MACl制备的钙钛矿薄膜存在垂直方向上氯分布的不均匀的问题，主要原因是MACl中的氯离子在钙钛矿结晶过程中迅速迁移至上表面引起富集。这种不均匀的氯分布会诱发钙钛矿上表面产生缺陷和界面电子势垒，引起载流子复合损失，阻碍载流子输运，制约了器件光电转换效率的进一步提升，同时影响其长期运行稳定性。

针对传统生长方法导致钙钛矿中氯元素分布不均的问题，团队提出了垂直方向均匀化氯元素分布的策略（HVCD）：通过在钙钛矿薄膜生长中引入碱金属草酸盐，利用解离出的钾离子与氯离子之间的强结合作用，有效束缚氯元素的垂直无序迁移，使其在钙钛矿材料中均匀分布。基于这一方法，研究团队成功制备出载流子寿命高达20微秒，界面缺陷态密度低至10¹³每立方厘米的钙钛矿半导体薄膜，显著抑制了由卤素Cl元素上表面富集引起的载流子复合（图1），并消除了界面电子势垒。

基于所开发的氯元素均匀分布的钙钛矿薄膜，团队研制出经多家权威机构认证、光电转换效率为27.2%的钙钛矿太阳能电池原型器件。器件在1个标准太阳光和最大功率输出点条件下持续运行1529小时后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1个标准太阳光与85℃光热耦合加速老化条件下，持续运行1000小时后仍能维持初始效率的82.8%（图2）。该研究实现了钙钛矿太阳能电池效率与稳定性方面的协同提升，将为其产业化发展提供重要支撑。

该研究成果以“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells”为题，发表于《科学》（Science）期刊（Science, 2025, 390，638-642）。半导体所博士后熊壮为论文第一作者，博士生张谦为共同第一作者，游经碧研究员为通讯作者，半导体所张兴旺研究员、蒋琦研究员以及苏州大学李耀文教授等为论文共同作者。该研究获得了国家重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家自然科学基金委联合基金集成项目以及厦门丰熤光电科技有限公司等的资助。

图1  (A-B) 氯离子均匀化前后钙钛矿上下表面的光致发光光谱，(C) 氯离子均匀化前后钙钛矿的载流子寿命，(D-E) 均匀化调控前后各离子在垂直方向上的分布情况，(F) 均匀化调控前后钙钛矿薄膜垂直方向上缺陷态密度分布情况，(G) 碱金属草酸盐实现氯离子均匀化分布调控的机理示意图。

图2  (A) 参考器件和氯均匀化器件在标准太阳光条件下的电流-电压曲线（正反向测量），（B）参考器件和氯均匀化器件稳态输出效率曲线，（C）参考器件和氯均匀化器件1529小时稳态输出效率曲线（40-50^oC，1个太阳光），（D）参考器件和氯均匀化器件在85^oC条件下老化的归一化效率变化情况，(E) 参考器件和氯均匀化器件在1个标准太阳光和85^oC耦合条件稳态输出归一化效率变化情况（用于热稳定性和加速老化测试的器件为非标准工艺制备）。

文章链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8780

Homogenized chlorine distribution for 27% power conversion efficiency in perovskite solar cells.pdf