宽禁带钙钛矿是下一代叠层光伏的核心材料，但其光致卤化物相分离导致的操作不稳定性严重阻碍了商业化进程。传统观点将相分离归因于离子迁移，主要策略聚焦于阻隔离子移动，但这并未触及问题的根源。
2026年3月4日，中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士、深圳理工大学白杨副教授、苏州大学杨新波教授/张晓宏教授、香港理工大学杨光团队首次揭示宽禁带钙钛矿不稳定的根源在于成核阶段溴富相的优先析出，并提出了一种热力学抑制策略，通过在成核初期提升溴富相的形成能垒，从源头上杜绝了组分不均，实现了从成核到运行全过程的卤素均匀性锁定。研究发现薄膜形成过程中富溴相的优先成核会引发本征成分不均匀性，这种不均匀性随后在运行应力下加速卤化物迁移和相分离。作者等人开发了一种预防性抑制策略，通过引入硫氰酸钾，从一开始就提高富溴相的成核能垒，从而实现热力学稳定的卤化物分布，抑制卤化物分离。该方法使1.68 eV单结器件实现了23.50%的高光电转换效率，同时器件展现出优异的稳定性，在连续最大功率点跟踪2240小时后仍保持初始效率的98%。利用这一稳定的吸收层，实现了效率达33.08%（认证效率32.52%）的钙钛矿-硅叠层太阳能电池，该电池在户外运行540小时后仍保持性能，并在连续最大功率点跟踪下实现超过9700小时的推算T90寿命。此外，作者等人证明了该稳定策略在宽带隙钙钛矿中的广泛适用性。1.68-1.88 eV组分在相同应力条件下表现出优异的光谱稳定性，光致发光位移可忽略不计，从而实现了高效的单结器件（1.77 eV效率20.37%，1.88 eV效率18.11%），以及高性能的全钙钛矿（28.18%，认证28.17%）和钙钛矿-有机（25.66%）叠层太阳能电池。
【研究内容】
研究团队通过原位光致发光光谱发现，在反溶剂滴加的瞬间，对照钙钛矿薄膜即出现对应于溴富相（670 nm）和碘富相（710 nm）的双发射峰，表明组分不均始于成核瞬间。密度泛函理论计算证实，CsPbBr₃的形成能远低于CsPbI₃，溴富相在热力学上倾向于优先成核。
基于此，团队引入硫氰酸钾（KSCN）。DFT计算表明，K⁺的引入显著提高了溴基钙钛矿（KPbBr₃模型）的形成能垒，从热力学上抑制了溴富相的优先析出。原位PL监测显示，含KSCN的目标薄膜从成核伊始至旋涂结束始终保持单一PL峰，实现了真正的均质成核。XPS及TOF-SIMS元素分布图证实，退火后的目标薄膜实现了碘和溴在空间上的完美互锁。
更重要的是，研究团队发现KSCN的阴离子部分SCN在晶界处与过量Pb²⁺配位，自发生成了A₂Pb(SCN)₂X₂型的二维钙钛矿相（d=9.8 Å）。该二维相连续包覆三维晶粒，将晶界密度降低30%，并显著提升了离子迁移能垒（沿晶界从0.39 eV升至0.61 eV，跨晶界从0.87 eV升至1.52 eV），实验测得的离子迁移活化能从0.49 eV大幅提升至1.11 eV，实现了对运行状态下卤素迁移的动力学阻断。
得益于热力学成核抑制与动力学晶界钝化的双重策略，1.68 eV单结器件实现了23.50%的光电转换效率，并在连续最大功率点追踪2240小时后仍保持98%的初始效率。该钙钛矿/硅叠层太阳能电池取得了33.08%的实验室效率（认证32.52%），在户外实际工况下稳定运行超540小时，外推T90寿命超过9700小时。该策略还成功拓展至1.77 eV和1.88 eV的宽禁带体系，实现了20.37%和18.11%的单结效率，以及28.18%（认证28.17%）的全钙钛矿叠层和25.66%的钙钛矿/有机叠层器件。
图1 宽禁带钙钛矿薄膜的旋涂、退火过程与均匀性分析
图2 宽禁带钙钛矿的晶界形貌与离子迁移能垒
图3 根除相分离实现增强的薄膜稳定性与器件性能
图4 宽禁带钙钛矿太阳能电池的长期运行稳定性
图5 策略普适性验证
【结论】
本研究颠覆性地揭示了宽禁带钙钛矿不稳定的根源在于成核初期溴富相的优先析出，而非传统认知的离子迁移。基于此，团队提出热力学抑制策略，利用K⁺提升溴富相成核能垒，从源头上实现了卤素均质分布；同时，SCN在晶界原位构筑二维钙钛矿屏障，将离子迁移活化能提升至1.11 eV，从动力学上阻断了运行状态下的卤素再分布。这一双重策略，使1.68 eV单结器件效率达23.50%，钙钛矿/硅叠层效率达33.08%，且T90寿命超过9700小时。该普适性策略在1.77-1.88 eV宽禁带体系及全钙钛矿、钙钛矿/有机等多种叠层架构中均获验证，为开发下一代高效稳定的叠层光伏器件提供了全新的设计规则和实现路径。
引用本文：Yang Xueying，Yan Zhongliang，Wang Shibo，et al. Thermodynamic inhibition of bromine-rich phase nucleation in wide-bandgap perovskites for operationally stable tandem solar cells. Energy & Environmental Science: 2026.
原文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE06815K
