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武漢大學物理科學與技術學院博士研究生周順、付世強、王晨為論文的共同第一作者，武漢大學方國家教授、柯維俊教授為論文的通訊作者，武漢大學王倜研究員、孟威威博士、博士生周進、碩士生林卿賢、本科生鄒沅嶸等人為論文的共同作者，武漢大學為唯一署名單位。

從右至左：周順（博士生）、付世強（博士生）、方國家、柯維俊、王晨（博士生）

新型金屬鹵化物鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，具有制備工藝簡單、缺陷容忍度高、吸收系數高、載流子擴散長度長等優點，在光電子器件領域備受關注，被認為是下一代最具前景的光伏材料之一。其中，單節鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經與傳統硅基電池相當，但是想要進一步提升其效率將越來越困難。全鈣鈦礦疊層電池可以突破單結太陽能電池的肖克利-奎伊瑟效率極限，理論效率可達44%，性能還有非常大的提升空間。全鈣鈦礦疊層電池由頂部的寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部的窄帶隙鈣鈦礦子電池一體化疊加而成，而其中不夠優異的窄帶隙鈣鈦礦子電池是其未來實現商業化應用的絆腳石之一，也是領域內的共性挑戰問題。基于此，方國家、柯維俊團隊通過天冬氨酸鹽一體化摻雜策略同時提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩定性，實現了穩態效率27.62%（第三方權威認證效率27.34%）的目前兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。

在這項研究中，研究者巧妙地將天冬氨酸鹽酸鹽(AspCl)引入到底部空穴傳輸層、鈣鈦礦體吸光層、和上界面層中，開發了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略。研究發現AspCl-SnI2和AspCl-PbI2具有很低的形成能，有利于形成中間體或者絡合物，這極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質量。除了與鈣鈦礦前驅體配位外，AspCl分子還具有很強的分子間氫鍵，富集在鈣鈦礦上、下界面處的AspCl還充當了鈣鈦礦層和傳輸層界面之間的分子鎖，進一步提升了鈣鈦礦材料的性能和穩定性。

此外，如何抑制窄帶隙鈣鈦礦中不穩定性的二價錫金屬離子的自發氧化是行業內的巨大痛點之一。研究結果表明AspCl可以有效地抑制二價錫氧化，和減少有害的四價錫雜質。進一步的研究還表明AspCl的引入可以鈍化鈣鈦礦材料的缺陷，調節費米能級，抑制有害的離子遷移等，從而加強了器件的性能和穩定性。這種簡易的一體化摻雜策略實現了一舉多能，為窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能提升提供了一個極有前景的方法，也有望促進其他光電領域的發展。

該研究得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目和湖北省自然基金及武漢大學科研公共服務條件平臺的支持。

方國家、柯維俊團隊長期致力于新型光電器件領域的研究，專注于鈣鈦礦太陽能電池、發光二極管和探測器研究方向，近3年研究成果以通訊作者身份發表在Nature,Nature Photonics，Nature Communications,Advanced Materials，Joule、Matter、Energy & Environmental Science、Advanced Functional/EnergyMaterials、ACSnano、Science Bulletin等領域內權威期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06707-z