一、研究背景与挑战
宽能隙ペロブスカイト在叠层太阳能电池中面临严峻挑战：当溴碘比例超过20%时，PbBr₂和PbI₂倾向形成不同中间复合体，导致富溴相优先成核，造成卤素イオン空间分布极度不均，引发组分偏析和体积缺陷。南京大学谭海仁教授、Kong Wenchi教授团队在《ACS Energy Letters》发表突破性研究，开发中间组分工程（ICE）策略，以PbCl₂和过量MABr替换部分PbBr₂，诱导形成亚稳态二维中间相A₂PbIₓBr₃₋ₓCl。该技术成功实现宽能隙ペロブスカイト太阳能电池（1.67 eV）22.5% PCE和1.280 V开路电压，集成为单片叠层电池后在1.21 cm²面积上取得30.65% PCE效率和30.5%认证效率。
图1：ToF-SIMS深度分析揭示对照组薄膜溴含量在垂直方向急剧分层，而ICE薄膜展现接近理想的溴碘离子固溶体行为
二、QFLS表征与载流子动力学
准费米能级分裂（QFLS）是评估ペロブスカイト薄膜潜在性能和体积缺陷密度的核心指标。研究团队综合运用稳态光致发光（PL）、时间分辨光致发光（TRPL）等表征手段，经ICE处理的薄膜展现显著光电特性提升：PLQY从对照组的0.72%大幅跃升至9.28%，QFLS值从1.252 eV显著提升至1.318 eV，直接印证ICE薄膜具备更高潜在性能和显著更低的体积缺陷密度。
QFLS提升与开路电压损失分析高度一致：ICE器件的非辐射复合损失从64.8 mV大幅降低至14.8 mV，清晰表明缺陷相关的非辐射复合损失得到有效最小化。空间电荷限制电流（SCLC）测量进一步佐证：ICE薄膜陷阱态密度仅为2.96×10¹⁵ cm⁻³，显著低于对照组的6.25×10¹⁵ cm⁻³，证实了缺陷密度的显著降低。
四、ICE策略：从卤化物均匀化到结晶动力学全面重塑
ICE策略从卤化物均匀化和结晶动力学两个维度全面重塑ペロブスカイト薄膜。卤化物均匀性方面：时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）深度分析显示，对照组薄膜溴含量在垂直方向急剧增加，呈现明显垂直分层，而ICE薄膜展现接近理想的溴碘离子固溶体行为，在整个体积结构中均匀分散，未见界面富集或浓度极化。
结晶机制重塑方面：XRD分析在退火前ICE湿膜中观察到6.47°低角度衍射峰，对应A₂PbIₓBr₃₋ₓCl二维亚稳态中间相，有效抑制PbBr₂·DMSO中间体产生，此中间相退火后分解，仅作为结晶"模板"的瞬态作用。成核动力学优化方面：原位光致发光测量显示，对照组薄膜初期能隙达1.73 eV，表明富溴组分优先形成；ICE薄膜初期能隙约1.66 eV，有效抑制富溴组分形成并实现更稳定、缓慢的生长过程。
微结构显著优化：ICE薄膜呈现较低成核速率和增强晶粒生长速率，平均晶粒尺寸从250 nm增加68%至420 nm，表面粗糙度从23.40 nm降低33.8%至15.50 nm，大幅减少了非辐射复合中心。
图2：结晶动力学综合表征——a,b) 退火前后XRD显示ICE湿膜出现A₂PbI₃Br₃₋ₓCl中间相；c,d) 原位PL光谱追踪成膜全过程；e) 原位显微镜记录晶粒生长演变；f,g) 对照组与ICE组结晶路径示意
图3：薄膜光電质量与宽能隙器件性能——a) 稳态PL光谱；b) TRPL衰减曲线；c) VOC损失分解（ΔV₁辐射、ΔV₂黑体辐射、ΔV₃非辐射）；d) 电致发光；e) 单结器件参数统计；f) 冠军器件J-V曲线；g) EQE及积分JSC；h) 稳态功率输出
五、J-V曲线验证：单结与叠层性能双重突破
J-V曲线测量全面验证ICE策略优异效果。宽能隙ペロブスカイト太阳能电池器件实现22.64% PCE、1.280 V VOC（超过SQ极限93%）、21.26 mA/cm² JSC、83.20% FF，相比对照组（21.24% PCE、1.224 V VOC）所有重要参数均显著提升。叠层电池表现更加出色：ICE叠层器件逆扫描PCE高达30.65%并获得30.5%独立认证效率，平均PCE达30.01%，显著高于对照组28.71%。稳态功率输出达30.3%，展现优异的稳定性表现。
图4：ペロブスカイト/硅单片叠层太阳能电池——a) 器件结构示意图；b) 截面SEM图像显示保形沉积；c) 效率分布统计；d) 冠军器件J-V曲线；e) 子电池EQE及积分JSC；f) 稳态功率输出；g) 封装器件MPPT长期稳定性