摘要：钙钛矿材料因其卓越的光电特性，尤其是在太阳能电池领域的应用，成为了研究热点。然而，钙钛矿太阳能电池（PSC）存在离子迁移和相分离等稳定性问题，这些问题严重制约了其效率提升和长期应用。尤其是在宽带隙钙钛矿的串联太阳能电池中，离子迁移和卤化物分离现象尤为突出，这影
研究背景
钙钛矿材料因其卓越的光电特性，尤其是在太阳能电池领域的应用，成为了研究热点。然而，钙钛矿太阳能电池（PSC）存在离子迁移和相分离等稳定性问题，这些问题严重制约了其效率提升和长期应用。尤其是在宽带隙钙钛矿的串联太阳能电池中，离子迁移和卤化物分离现象尤为突出，这影响了设备的稳定性和效率。
为了应对这些挑战，科学家们提出了多种策略，包括使用多价阳离子来增强静电相互作用，抑制离子迁移。然而，多价金属阳离子往往在钙钛矿中形成深能级陷阱，影响了器件的光电性能。因此，如何在不产生深能级陷阱的情况下有效抑制离子迁移和相分离，成为了该领域亟待解决的难题。
成果简介
为此，西湖大学工学院王睿团队以及浙江大学材料科学与工程学院薛晶晶研究员等人携手在Nature Photonics期刊上发表了题为“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”的最新论文。西湖大学–浙江大学联合培养博士研究生田柳文（田蔚中）为论文第一作者，宣城先进光伏技术研究院、华晟新能源毕恩兵博士为共同第一作者。
团队提出了一种创新的二价阳离子替代策略，采用亚甲基二铵阳离子（MDA2+）部分替代钙钛矿晶格中的A位阳离子，从而抑制了钙钛矿中的离子迁移和卤化物分离。研究表明，MDA2+通过其二价状态与无机框架之间的强静电相互作用，显著提高了离子迁移的能量屏障，有效抑制了离子迁移和光诱导的卤化物分离。
实验结果显示，该方法显著提升了钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率，单结钙钛矿太阳能电池在1.67–1.68 eV带隙下实现了23.20%的冠军PCE，认证效率为22.71%。此外，采用该策略的钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2串联太阳能电池和半透明钙钛矿电池也分别获得了30.13%和21.88%的PCE，进一步验证了这一策略的有效性。
研究亮点
1. 实验首次将亚甲基二铵阳离子（MDA2+）引入钙钛矿晶格，成功实现了二价阳离子替代策略，以抑制离子迁移和卤化物分离。得到了：通过这一替代策略，显著改善了宽带隙钙钛矿材料的稳定性和效率。
2. 实验通过在钙钛矿太阳能电池中使用MDA2+，通过强烈的静电相互作用增强了阳离子与无机框架的结合力。结果：抑制了卤化物离子的迁移和缺陷的形成，进而提高了光电转换效率（PCE）和器件稳定性。实验中，单结钙钛矿太阳能电池的PCE达到23.20%（认证效率为22.71%），展现出卓越的性能。
3. 实验通过将MDA2+引入钙钛矿材料后，结合铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2）材料制备叠层太阳能电池。结果：实现了高达30.13%的PCE，并展示了在柔性钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2串联太阳能电池中23.28%的稳态PCE（认证效率为22.79%）。此外，半透明钙钛矿设备也达到了21.88%的PCE。
图文解读
图1：不同有机A位阳离子与钙钛矿之间相互作用的理论研究。
图2：MDA2+抑制离子迁移和卤化物分离。
图3：钙钛矿薄膜的光电性能改善。
图4：光伏性能和器件稳定性。
结论展望
本文的研究为钙钛矿太阳电池的稳定性提升提供了新的思路和技术路径。通过引入二价阳离子MDA2+替代A位阳离子，成功抑制了钙钛矿中的离子迁移和光诱导卤化物分离问题，从而有效提高了光电转换效率和器件的长期稳定性。这一策略通过增强MDA2+与无机子晶格的相互作用，增加了离子迁移的能量屏障，降低了缺陷密度，进而改善了钙钛矿薄膜的光电性能。研究还展示了该策略在单结钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/CIGS串联光伏设备中的应用，分别取得了23.20%和30.13%的冠军效率，推动了柔性光伏技术的发展。
这一工作不仅为钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了重要的理论依据和实践指导，还为广泛应用于光电器件中的多价阳离子替代策略开辟了新方向。此外，MDA2+的潜力也可能激发钙钛矿材料在其他光电应用领域的探索，进一步推动钙钛矿材料的商业化和多样化应用。
作者介绍
王睿，西湖大学工学院助理教授，独立PI。1993年生，2015年获吉林大学工学学士学位，2016年获加州大学伯克利分校硕士学位。2016.9-2019.12就读于加州大学洛杉矶分校，师从Yang Yang教授，获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。 2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，麻省理工科技评论全球科技创新35人以及阿里巴巴达摩院青橙奖等。
王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者或通讯作者身份在Nature (3篇)，Science (2篇)，Nature Photonics, Joule，Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗舰杂志发表论文30余篇，研究成果被包括科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。
其课题组主要研究方向: （1）钙钛矿光电器件的制备与表征：包括太阳能电池（单节，叠层），发光二极管，以及光电探测器等（2）钙钛矿材料的稳定性和缺陷态的机理研究（3）寻找新型有机无机杂化光伏材料（4）其他光伏电池研究。
薛晶晶，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选国家海外高层次人才引进计划、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人” (MIT Technology Review "Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中国30岁以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。
2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，期间曾赴斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹教授课题组访学，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院。
目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。先后共发表SCI论文40余篇，其中以第一或通讯作者在Science、Nature、Nat. Photonics、Nat. Chemistry、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater、Joule、J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊发表学术论文近20篇。
文献信息
Tian, L., Bi, E., Yavuz, I. et al. Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01618-z
来源：华算科技