寬禁帶鈣鈦礦光伏材料因其帶隙可調，在室內能量收集領域展現出巨大應用潛力。然而，其面臨一個根本性挑戰：在光照下，混合鹵化物鈣鈦礦會發生光誘導鹵化物相分離，導致材料內部形成局部的富碘區和富溴區。這種現象不僅會造成顯著的開路電壓損失，還會引發非輻射復合，并最終導致電池性能的快速衰減，嚴重制約了其長期運行穩定性與商業化進程。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監測各個工藝段中的異常，了解單節疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究提出了一種創新的“局部電場抑制”策略。該策略通過引入多功能離子聚合物——聚季銨鹽-37（ATK），使其優先分布于鈣鈦礦晶界。ATK分子通過其季銨基團靜電錨定鹵素陰離子，同時通過羰基與鉛離子（Pb2?）配位，形成一種“雙重鎖定”的分子網絡。該網絡能有效抑制鹵離子遷移、中和晶界處的電荷積累，從而從根源上抑制了導致相分離的局部電場，為實現高效、穩定的寬禁帶鈣鈦礦光伏電池提供了一條普適性的解決方案。

創新策略：局部電場抑制

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本文提出了一種“局部電場抑制”策略：

材料選擇：使用離子聚合物ATK，其分子結構中同時包含季銨基團和羰基

作用機制：

季銨基團通過靜電作用錨定鹵素陰離子

羰基與鈣鈦礦中的鉛離子形成配位鍵

在晶界處構建穩定的雙鎖定網絡

穩定機制與分子相互作用

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a) 晶界處離子遷移誘導的局部電場示意圖，以及ATK對局部電場的抑制。b) 鈣鈦礦薄膜和ATK處理后的鈣鈦礦薄膜的Pb 4f和I 3d的XPS譜圖。c) ATK及其與鈣鈦礦混合后的FTIR光譜。d) ATK及其與鈣鈦礦復合物的LF-NMR譜圖

化學相互作用

XPS顯示ATK處理后的薄膜Pb 4f結合能正移0.4 eV，I 3d負移0.3 eV，證實了ATK羰基與Pb2?的配位作用，以及季銨基團對鹵陰離子的靜電固定。

FTIR證實羰基峰從1728 cm?1紅移至1711 cm?1，季銨基團峰發生藍移，進一步佐證了與鈣鈦礦的相互作用。

物理限制效應

LF-NMR顯示ATK/鈣鈦礦復合物的橫向弛豫時間縮短，表明聚合物鏈運動受限，印證了ATK在鈣鈦礦內部的纏結，形成了空間阻隔網絡。

局部電場的理論與實驗驗證

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a) ATK/鈣鈦礦界面的優化構型。b) 優化后的ATK/鈣鈦礦界面的靜電勢分布圖。c) ATK引入后，沿z軸計算的局部電場分布。d) ATK/鈣鈦礦界面處平面平均的一維電場分布。e) 原始和ATK改性鈣鈦礦的KPFM圖。處理與未處理鈣鈦礦橫跨晶界的線掃描接觸電勢差。f) ATK處理和未處理鈣鈦礦的高分辨TEM圖像

理論計算表明，富碘端面比富溴端面引發更顯著的電場波動。將ATK引入鈣鈦礦界面后，靜電勢分布顯著均質化，界面處的平均電場強度大幅降低。電子定域函數分析顯示，ATK中含氮和氧的基團周圍電子密度富集，表明其與未配位Pb、I位點存在配位或靜電相互作用，促進了界面電荷再分布，有效屏蔽和中和了晶界局部電場。

KPFM測試直接驗證了該效應，測試顯示晶界電勢差從15.10 mV降至2.34 mV。

HR-TEM分析顯示，未處理薄膜中存在溴/碘異質結導致的晶格膨脹和起伏，而ATK改性樣品的晶格常數幾乎保持不變，其FFT圖樣斑點清晰銳利，與對照組模糊彌散的斑點形成鮮明對比，證實了LEFS策略對鈣鈦礦晶格和相分離的穩定作用。

鹵化物遷移與相分離抑制

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a) 處理和未處理鈣鈦礦薄膜在晶界處的鹵素離子含量分布統計。b, c) 處理和未處理鈣鈦礦薄膜晶界處的Br和I分布的EDX結果。d, e) 原始和ATK處理的鈣鈦礦橫向電池的溫度依賴性電導率。f, g) 光照下原始和ATK處理鈣鈦礦薄膜的原位PL光譜。h, i) 光照后原始和ATK處理鈣鈦礦薄膜的原位UV-vis光譜

EDX線掃描表明，ATK處理薄膜在晶界處保持了均勻的鹵化物分布，而未處理薄膜則在晶界處出現Br富集和I耗竭。

溫度依賴性電導測量顯示，ATK將離子遷移的活化能從0.49 eV提升至0.83 eV，凸顯了其化學錨定和聚合物限制在固定鹵離子方面的協同效應。

原位PL和UV-vis光譜表明，在連續AM 1.5G光照下，未處理樣品的PL發射峰紅移13.25 nm，而ATK處理樣品僅紅移4.84 nm。UV-vis吸收光譜也顯示處理后的薄膜在光照后保持高度穩定。這些結果證明LEFS策略有效減輕了導致相分離的光誘導鹵化物再分布。

弱光穩定性與缺陷態分析

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a, b) 不同光照后，未處理與處理鈣鈦礦橫跨晶界的線掃描接觸電勢差。c) 處理和未處理鈣鈦礦薄膜在標準與弱光照射下的歸一化PL峰位移。d) 原始和ATK處理鈣鈦礦薄膜光照后的原位烏爾巴赫能量。e, f) 原始和目標電池在不同光照下的陷阱態密度曲線。g, h) 原始和目標電池在不同光照下的DLCP曲線

在不同光強下進行的KPFM、原位PL和Urbach能量測試表明，即使在弱光下，ATK處理薄膜也能保持均勻的表面電勢和極小的相分離程度，且缺陷態在暗態恢復過程中幾乎無變化，顯示出優異的結構可逆性。

tDOS和DLCP分析證實，ATK處理電池在所有光照條件下的深能級陷阱密度均顯著降低，尤其在弱光下，陷阱密度與暗態幾乎一致，證明了LEFS策略賦予的強大缺陷耐受性。

電池性能與穩定性

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a, b) 在AM 1.5G和室內光照射下，原始和ATK處理電池的反向掃描J-V曲線。c) 在兩種光照模式下，LEFS帶來的PCE和VOC增益對比。d) 在1000 lux白光LED照射下，代表性鈣鈦礦與非鈣鈦礦室內光伏效率對比。LHP：鉛鹵化物鈣鈦礦；THP：錫鹵化物鈣鈦礦；OPV：有機光伏；DSSC：染料敏化太陽能電池；a-Si:H：氫化非晶硅。e) 近年來已報道的鈣鈦礦室內光伏的VOC × FF匯總。f) 原始和目標倒置電池的ISOS-L穩定性測試。g) 原始和目標鈣鈦礦室內光伏的ISOS-LC穩定性測試

基于LEFS策略制備的倒置寬帶隙光伏電池表現出色：

標準光照：冠軍PCE為22.86%，VOC為1.26 V，JSC為22.46 mA cm?2。

室內光照(1000 lux)：在1000 lux白光LED下，冠軍PCE高達43.19%，VOC為1.08 V，FF為85.29%。

載流子動力學：TPC和TPV測量表明，ATK處理電池具有更高效的載流子提取和更慢的電壓衰減，反映了非輻射復合的抑制。

穩定性突破：在ISOS-L測試中，ATK電池在1447小時后仍保持90%初始PCE，而對照組在663小時后降至50%。在模擬日夜循環的ISOS-LC測試中，ATK電池的 extrapolated T??壽命超過10,000小時，遠優于對照組的3787小時。

本研究成功開發了一種局部電場抑制策略，通過在鈣鈦礦晶界構建分子級雙重鎖定網絡，有效抑制了局部電場積累，從而阻止了寬帶隙鈣鈦礦中的光誘導相分離。該策略通過協同的羰基-Pb2?配位和季銨基-鹵離子靜電作用，提高了離子遷移勢壘，中和了晶界電荷積累。最終，電池在標準光照和室內光下分別實現了22.86%和43.19%的效率，并具備超過10000小時的預計使用壽命。這項工作為穩定混合鹵化物寬帶隙鈣鈦礦提供了一條普適性策略，為高性能室內光能收集電池的開發奠定了堅實基礎。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

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大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，系統性解決了太陽能電池生產中的速度、良率、成本、工藝優化與穩定性等核心痛點，并且結合AI深度學習，實現全自動缺陷識別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時清晰呈現高亮區域（如無缺陷區）與低亮區域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓練：實現全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實時監測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質量異常，精準定位單結及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Stopping Phase Separation Enables Durable Wide-Bandgap Photovoltaic Perovskites

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