通过增强晶格相互作用来均匀化应变，能够实现高效且稳定的四端钙钛矿/硅串联太阳能电池

《Joule》：Homogenizing strain via reinforced lattice interaction enables efficient and stable 4T perovskite/silicon tandem solar cells

本文提出采用苯甲酰铵氯化物（BMCl）缓解宽带隙钙钛矿太阳能电池与结晶硅单结电池结合时的残余应变问题。BMCl通过稳定晶体结构，减少离子迁移和缺陷形成，显著提升电池效率与稳定性。优化后的WBG钙钛矿电池效率达23.5%，4T串联器件户外运行48天无衰减。

　　在近年来的太阳能电池研究中，钙钛矿材料因其优异的光电性能而备受关注，特别是在单结结构中，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）已突破27%。然而，这些高性能的钙钛矿电池仍然面临一个重要的挑战——其效率和稳定性受到“肖克利-奎塞尔”（Shockley-Queisser，S-Q）极限的限制。S-Q极限指的是单结太阳能电池在热力学平衡下所能达到的理论最大效率，通常在33%左右。为了突破这一限制，研究人员开始探索钙钛矿与晶体硅（c-Si）电池的叠层结构，通过将两种材料的优势结合起来，实现更高的整体效率。其中，宽禁带（WBG）钙钛矿与c-Si电池的组合成为研究热点，因为宽禁带钙钛矿具有更短的光吸收波长，可以更好地利用太阳光谱的低能部分，从而提升整体能量转换效率。

然而，宽禁带钙钛矿的稳定性问题却成为限制其广泛应用的关键因素。研究发现，宽禁带钙钛矿材料中的离子迁移现象和缺陷形成过程会显著影响其性能。尤其是在叠层结构中，宽禁带钙钛矿层与c-Si层之间的热膨胀系数不匹配，以及在高温和外部应力下有机阳离子的挥发，都会在钙钛矿层中引入大量的内应力。这些内应力不仅会加速离子迁移，还可能导致局部晶格畸变，进而引发微裂纹和缺陷形成。这种现象在宽禁带钙钛矿中尤为明显，因为它们通常含有更复杂的A位离子和更高的溴化物含量，使得其在外部刺激下更容易发生相分离和结构破坏。

为了解决这一问题，研究人员提出了一种新的策略，即通过引入一种含有耐脱质子的酰胺基团的分子——苯酰胺基氯（benzamidinium chloride，BMCl）——来缓解宽禁带钙钛矿中的内应力。BMCl分子能够占据钙钛矿中的A位空位，并与[PbI?]??八面体框架形成强的化学键，从而增强晶格结构的稳定性。这种设计不仅有助于形成均匀的压缩应变，还能够有效提高离子迁移势垒和缺陷形成能量，从而显著改善钙钛矿太阳能电池的稳定性。通过这一策略，研究人员成功优化了宽禁带钙钛矿单结电池的性能，使其在1.67 eV的禁带宽度下达到了23.5%的PCE（认证效率为22.9%），并且在85°C和85%相对湿度的条件下，经过840小时的连续运行，仍能保持95.5%的初始效率。

进一步地，研究人员还成功制备了4端口（4-terminal）的钙钛矿/硅叠层太阳能电池，并在实验中实现了33.4%的PCE，这是目前报道的最高效率之一。更令人印象深刻的是，这种4端口叠层电池在户外环境中连续运行48天后，其效率没有明显下降，显示出极高的实际应用稳定性。这一成果为宽禁带钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了重要的理论支持和技术路径。

在材料选择方面，研究人员采用了多种高质量的材料，包括氧化铟锡（ITO）基板、N, N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、氯苯（CB）、异丙醇（IPA）、铅碘（PbI?）、铅溴（PbBr?）以及铯碘（CsI）。这些材料的选择不仅保证了电池的结构稳定性和光电性能，还为后续的实验和测试提供了良好的基础。此外，研究人员还使用了甲基胺碘（MAI）、苯基乙基碘（PEAI）、乙二胺二氢碘（EDAI?）等材料，以构建更复杂的钙钛矿结构，提高其性能。

在实验过程中，研究人员通过系统的实验设计和优化，验证了BMCl分子对钙钛矿结构的稳定作用。他们发现，BMCl分子能够有效减少有机阳离子空位的形成，并在热循环过程中防止晶格体积的塌陷。这种作用机制不仅提高了钙钛矿层的机械强度，还增强了其在高温和高湿环境下的稳定性。此外，研究人员还通过理论计算和实验验证，揭示了BMCl分子在钙钛矿结构中的作用方式，为后续的材料设计和优化提供了理论依据。

在数据和代码的可用性方面，研究人员表示所有实验数据均可通过相应作者的合理请求获得。这表明研究团队在数据共享方面具有高度的责任感和透明度，有助于其他研究者在该领域进行更深入的探索和验证。同时，研究人员还提到，他们使用的计算资源来自eScience Center，这表明他们在计算模拟和理论分析方面得到了专业的支持。

在作者贡献方面，研究团队的分工明确，各成员在项目的不同阶段发挥了重要作用。Jia Zhu、Pengchen Zhu、Jingyang Wang和Minhuan Wang提出了项目并进行了监督，而Yawei Niu则参与了所有实验。Shuyi Lin和Xiaorui Dong进行了理论计算，Yuzhen Zhang、Sihan Ning和Zhe Li参与了设备的制造。Jingyang Wang和Shangshang Chen为论文提供了有用的评论，Yawei Niu完成了论文的初稿，而Jia Zhu、Pengchen Zhu、Jingyang Wang和Minhuan Wang对论文进行了修改。所有作者都参与了讨论，并对论文进行了审阅和修改。

在利益声明方面，研究人员表示他们没有利益冲突，这表明研究团队在研究过程中保持了高度的客观性和公正性。这种声明不仅有助于提升研究的可信度，还为后续的学术交流和合作提供了良好的基础。

总的来说，这项研究通过引入一种含有耐脱质子酰胺基团的分子BMCl，成功缓解了宽禁带钙钛矿中的内应力，显著提高了其稳定性。优化后的宽禁带钙钛矿单结电池和4端口叠层电池分别达到了23.5%和33.4%的PCE，显示出良好的应用前景。此外，研究人员还通过系统的实验设计和理论分析，揭示了BMCl分子在钙钛矿结构中的作用机制，为未来钙钛矿太阳能电池的优化和稳定提供了新的思路和方法。这项研究不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的发展，也为实现高效、稳定的太阳能电池提供了重要的参考价值。