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Stoichiometry-Regulated Crystallization and Halide Homogenization in Wide-Bandgap Perovskites for Efficient Solar Cells and Tandems

结晶 材料科学 成核 化学计量学 卤化物 能量转换效率 钙钛矿(结构) 串联 带隙 化学工程 均质化(气候) 晶体生长 Crystal(编程语言) 纳米晶 光伏 晶体结构 纳米技术 化学能 过饱和度 太阳能电池 溶解度 化学稳定性 能量转换 混合太阳能电池 光伏系统
作者
Yuxiao Guo,Yuliang Xu,Haoran Yang,Xu Li,Wenfei Chu,Dan Liu,Ruichao Zhu,Juncheng Wang,Wenbo Jiao,Hao Zhang,Jiafu Wang,Yuanhang Cheng,Xingtian Yin,Dewei Zhao,Bo Xu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (21): 15606-15617 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c04740
摘要

Control over crystallization pathways and halide distribution is essential for realizing efficient and stable wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs), yet most advances rely on additives while the intrinsic role of precursor stoichiometry remains insufficiently understood. Here we show that precursor stoichiometry, specifically the balance between FAX and PbX 2 (X = I, Br), serves as an additive-free chemical lever that regulates precursor supersaturation and nucleation kinetics, thereby directing crystallization and halide homogenization in FA 0.83 Cs 0.17 Pb(I x Br 1– x ) 3 perovskites. We identify a stoichiometric regime with a PbI 2 -to-total PbX 2 ratio of ∼55–75% that minimizes supersaturation, increases nucleation energy barrier, and slows crystal formation, yielding perovskite films with full coverage, preferred crystallographic orientation, and reduced residual strain. The optimized chemistry enables efficient and photostable WBG PSCs across a broad bandgap range (∼1.67, 1.79, 1.85, and 1.93 eV), achieving champion power conversion efficiencies of ∼24.19%, 21.64%, 19.98%, and 16.83%, respectively. Furthermore, this strategy enables monolithic all-perovskite tandem solar cells that deliver ∼29.10% efficiency with >80% retention over 400 h of maximum-power-point tracking. By establishing mechanistic links between precursor stoichiometry, crystallization pathway, electronic homogeneity, and device stability, this work provides a rational and broadly applicable chemical framework for advancing WBG perovskites in single-junction and tandem photovoltaics.
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