南開大學何庭偉Nat Commun：突破24.13%！鄰苯二胺分子壁“同步”鹵素插入實現高效寬禁帶鈣鈦礦電池

寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池是疊層太陽能電池的關鍵組成部分。理解混合鹵素寬禁帶鈣鈦礦的結晶機制有助于實現高性能光伏器件。

本研究南開大學何庭偉等人揭示了鹵素異步插入伴隨隨機晶面和晶向的問題，限制了載流子的有效提取。通過密度泛函理論計算指導，我們利用鄰苯二胺構建了π-共軛分子壁結構。該分子壁位于晶界處，通過鄰二胺基團誘導模板化鈣鈦礦結晶，實現了[PbBr6]4-和[PbI6]4-的同步鹵素插入。經過鄰苯二胺處理的鈣鈦礦薄膜表現出優選的（100）晶面和高度垂直的晶體取向。得益于改善的載流子提取性能，所得寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池（帶隙1.69 eV）實現了24.13%的光電轉換效率（認證效率23.43%），是目前寬禁帶鈣鈦礦電池中最高效率之一。

同時，提升的鈣鈦礦晶體質量也顯著增強了器件的操作穩定性。

研究亮點：

1. 揭示關鍵機制：通過原位表征與理論計算，首次闡明混合鹵素鈣鈦礦中鹵素異步插入是導致晶面隨機、載流子提取困難的根本原因。

2. 創新分子工程策略：設計并利用鄰苯二胺構建π-共軛分子壁，其暴露的鄰二胺基團可同步錨定溴與碘離子，實現模板化結晶，獲得高度有序的（100）晶面與垂直取向。

3. 實現高效率與高穩定性：優化后的寬禁帶鈣鈦礦電池效率達到24.13%（認證23.43%），并在連續光照最大功率點跟蹤測試800小時后，仍能保持90%以上的初始效率。

Song, Z., Meng, N., Tian, Y. et al. Halide insertion regulation for efficient and stable wide-bandgap perovskite photovoltaics. Nat Commun (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66970-8

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