研究背景
鈣鈦礦材料因其優異的光電性能和低成本的制造工藝，成為下一代光伏材料的理想選擇，廣泛應用于太陽能電池、光電探測器、發光器件等領域。與傳統的硅基材料相比，鈣鈦礦材料具有更高的光吸收效率、更廣泛的光譜響應和更低的加工成本等顯著優勢。然而，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）尤其是在寬帶隙鈣鈦礦（WBG）材料的應用中，仍面臨諸多挑戰，如晶體質量較差、相分離現象以及器件的穩定性問題，這些問題嚴重制約了其大面積器件的效率和商業化應用。
在此，武漢大學柯維俊教授團隊在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems”的最新論文。他們設計并制備了一種晶體修飾劑——吡拉西坦（piracetam），專門用于改善寬帶隙鈣鈦礦的晶體結構和光電特性。該團隊利用吡拉西坦顯著提高了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結晶質量，使得鈣鈦礦薄膜表現出優異的光電性能，并成功解決了大面積器件中常見的表面粗糙、不均勻性等問題。
研究通過吡拉西坦的調節，研究人員不僅促進了寬帶隙鈣鈦礦的優先（110）晶面取向，還通過與PbI2反應在晶界形成一維（Pi）PbI3鈣鈦礦納米針，進一步減少了缺陷，提高了光電均勻性和薄膜的穩定性。最終，該研究團隊成功獲得了具有較高PCE的大面積全鈣鈦礦串聯太陽能電池（TSCs）。在0.07 cm2和1.02 cm2的小面積和大面積器件中，分別實現了28.71%（認證28.13%）和28.20%（認證27.30%）的高PCE，并且小面積與大面積器件之間的PCE損失僅為0.51%。
研究亮點
（1）實驗首次引入了晶體修飾劑吡拉西坦（piracetam）來調節寬帶隙鈣鈦礦的成核過程，得到了大尺寸晶粒、優先（110）取向和均勻的光電特性。
（2）實驗通過吡拉西坦與PbI2的反應，在晶界形成了一維（Pi）PbI3鈣鈦礦納米針，顯著提升了鈣鈦礦的結晶質量，減少了缺陷并增強了晶粒表面的平整度。
（3）實驗通過調節WBG鈣鈦礦的晶粒生長和光電特性，成功提高了大面積全鈣鈦礦串聯太陽能電池（TSCs）的性能和可重復性，獲得了28.71%的PCE（認證值28.13%）和28.20%的PCE（認證值27.30%）分別在0.07 cm2和1.02 cm2的面積下。
（4）實驗通過優化WBG鈣鈦礦的均質化過程，實現了大面積TSCs的高效能量轉換效率，證明了該方法在不同鈣鈦礦組成中的廣泛適用性，提升了PCE從23.56%至25.71%用于單結1.56 eV帶隙太陽能電池。
圖文解讀
圖1：吡拉西坦作用于寬帶隙鈣鈦礦示意圖。
圖2：吡拉西坦對寬帶隙鈣鈦礦薄膜晶體的影響。
圖3：吡拉西坦對全鈣鈦礦疊層電池的影響。
圖4：2T全鈣鈦礦串聯太陽能電池的性能
總結展望
總之，本文展示了吡拉西坦作為晶體修飾劑的有效性，通過該方法獲得了具有優先取向、減少缺陷、提高結晶性和超平滑表面的高質量寬帶隙（WBG）薄膜，并進一步形成一維（Pi）PbI3鈣鈦礦以進一步提升器件性能。這種方法顯著減少了開路電壓（Voc）的損失，并大幅提高了WBG鈣鈦礦太陽能電池（PSC）和全鈣鈦礦串聯太陽能電池（TSC）的功率轉換效率（PCE）。
值得注意的是，吡拉西坦的引入最小化了小面積和大面積串聯器件之間的效率差距，2T全鈣鈦礦TSC在0.07 cm2和1.02 cm2的孔徑區域分別實現了PCE 28.71%（認證值28.13%）和28.20%（認證值27.30%）。盡管取得了這些進展，針對大面積串聯模塊仍然存在挑戰，尤其是在相分離和離子遷移方面更加顯著。進一步的進展需要采用Br減少的WBG子電池、無PEDOT:PSS的NBG子電池、穩健的隧穿層以及可擴展的沉積技術，并結合先進的界面工程策略，以推動全鈣鈦礦串聯技術的持續發展。
原文詳情：
Fu, S., Zhou, S., Meng, W. et al. Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems. Nat. Nanotechnol. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01899-z
