在多种色温的室内照明条件下，通过带隙工程实现高效钙钛矿太阳能电池的性能优化

《Materials Advances》：Bandgap engineering for efficient perovskite solar cells under multiple color temperature indoor lighting

　　Miqad S. Albishi|Faisal I. Alabdulkarem|George Perrakis|Tariq F. Alhuwaymel|Ala H. Sabeeh|Abdullah S. Alharbi|Naif R. Alshamrani|Ibrahim H. Khawaji|Nikolaos Tzoganakis|Majed M. Aljomah|Dimitris Tsikritzis|Sami A. Alhusaini|Abdullah Aljalalah|Kadi S. AlShebl|Ali Alanzi|Abrar Bin Ajaj|Fay M. Alotaibi|Hamad Albrithen|Konstantinos Petridis|Maria Kafesaki|Essa A. Alharbi
沙特阿拉伯利雅得阿卜杜勒-阿齐兹国王科技城（KACST）微电子与半导体研究所
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钙钛矿室内光伏（PIPVs）作为一种变革性技术，正在低光照强度能量收集领域崭露头角，这得益于其高功率转换效率（PCE）、低成本制造工艺以及可调的带隙。在本研究中，研究人员通过调整钙钛矿吸收剂的成分，成功制备出带隙分别为1.55 eV、1.72 eV和1.88 eV的样品，使其光谱响应与室内照明条件相匹配。这些基于可扩展的n–i–p结构的器件在白光LED照明下（相关色温3000–5500 K，光照强度250至1000 lux）进行了系统评估，其有效面积为1平方厘米。其中1.72 eV带隙的样品在不同光照强度和颜色下表现出最佳性能，在1000 lux光照下PCE达到35.04%，在250 lux光照下达到36.6%，且器件稳定运行时间超过2000小时。而1.88 eV带隙的样品在250 lux（5500 K）光照下PCE峰值达到37.4%；然而，在不同颜色的LED光照下性能存在 trade-offs。结合实验和理论的光电模拟结果表明，减少宽带隙材料中的陷阱辅助复合现象有望进一步提升PIPVs在不同光照条件下的性能。相比之下，1.55 eV带隙的样品由于光谱重叠和利用率不足，在类似条件下表现较差。这些发现强调了带隙优化和器件结构设计对于实现高效、稳定运行的PIPVs的重要性，为将其集成到自供电电子系统和创新室内环境中奠定了基础。

**引言**
钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为光伏领域的一项变革性技术，因其显著的功率转换效率（PCE）而受到广泛关注——在标准室外光照条件下，其PCE已达到27%。除了室外应用外，PSCs还因其可调的带隙（Eg）、高比功率输出以及极高的吸收系数而被认为是室内光伏（IPVs）的理想候选材料。这种适应性使得它们能够在多种室内照明条件下有效收集能量，包括发光二极管（LED）灯和紧凑型荧光灯（CFL）等光源。然而，需要注意的是，适用于室内光照条件的Shockley–Queisser（SQ）极限约为33%（对应带隙1.34 eV），而IPVs的SQ极限超过50%，因此需要带隙在1.7–2.0 eV范围内，以匹配室内光照的窄带发射光谱。钙钛矿室内光伏（PIPVs）在这种光照条件下的高PCE为多种应用提供了可能，例如为物联网（IoT）设备、无线传感器、可穿戴健康监测器和智能家居执行器供电。实现1.7–2.0 eV理想带隙的一种有效策略是通过调控ABX3钙钛矿结构中的X位元素。许多研究集中在改变溴化物含量（即钙钛矿组成中的碘化物与溴化物比例）上，结果显示在1000 lux室内LED光照下，当Eg为1.61 eV时PCE可达27%，当Eg为1.77 eV时PCE可达33%。另一种实用方法是界面工程，通过表面和体相钝化方法减少缺陷，从而实现超过40%的PCE，其中最高PCE（34.72%）对应Eg为1.71 eV。然而，这些优异的PCE结果主要是在小面积器件（0.09–0.1平方厘米）上获得的，因此迫切需要将器件面积扩大到≥1平方厘米，以提供足够的功率驱动外部设备。此外，大多数现有研究使用的钙钛矿含有高挥发性的A阳离子（如甲基铵），这会影响器件的稳定性。此外，现有关于PIPVs的文献主要集中在p–i–n结构上，该结构在室内外光照条件下均表现出高且稳定的PCE。然而，缺乏有力证据表明p–i–n结构适用于PIPVs的工业化，相比之下，n–i–p结构（使用可扩展、成本低廉且环保的氟掺杂氧化锡（FTO）透明电极和二氧化钛（TiO2）电子传输层）具有更好的可扩展性。此外，以往对PIPVs的表征和测试大多使用暖白光LED（3000 K）进行，而室内环境通常包含多种光照条件。因此，评估PIPVs在各种色温下的性能对于确保其在室内环境中的稳定运行至关重要。白光LED因其高效性和长寿命而被广泛用作主要室内光源。它们的色温范围从暖光（2700–3500 K）到中性光（3500–4500 K）再到冷光（高于4500 K）。暖光倾向于红移，而冷光则呈现蓝移，这些光谱变化直接影响光伏器件的性能。本研究探讨了通过调整钙钛矿组成中的碘化物与溴化物比例（I/Br），改变金属卤化物钙钛矿材料的带隙（Eg=1.55 eV、1.72 eV和1.88 eV），对其在室内光照条件下的光伏性能的影响。为提高稳定性并避免使用挥发性A阳离子，研究人员优化了不含甲基铵（MA）的钙钛矿配方，采用铯（Cs）和甲胺inium（FA）作为A阳离子。这种方法虽未在PIPVs应用中直接使用，但在室外太阳能光照下已证明可提高PSCs的稳定性。研究还涵盖了在3000 K、4000 K和5500 K色温下，不同光照强度下的WLED照明效果，以探讨入射光谱和钙钛矿带隙的影响。通过综合光学全波电磁模拟、电漂移扩散建模以及基于Shockley–Queisser极限的分析，本研究揭示了限制PIPVs在室内不同光照条件下性能的物理机制。实验与模拟结果共同表明，需要优化PSC设计以实现在不同室内环境下的持续高PCE。通过精确调控I/Br比例将钙钛矿带隙调整至1.88 eV，在250 lux光照和5500 K色温下获得了37.4%的稳定PCE，这种n–i–p结构在PIVs领域尚未得到充分探索。此外，还采用了一系列表征技术来阐明优化材料的形态学、组成、电学和光学特性。

**结果与讨论**
为了建立具有长期稳定性和可扩展性的钙钛矿组成和器件配置的基准，本研究重点关注基于甲胺inium-铯的钙钛矿组成以及n–i–p结构的微米级PSCs（即FTO/c-TiO2/m-TiO2/CsxFA1?xPb(I1?yBry)3/SpiroOMeTAD/Au，其中x=0.10–0.15，y=0.02–0.85）。图S1和S2展示了不同色温和光照强度下的白光LED发射光谱，以及本研究中使用的光谱功率辐照度。通过系统收集和分析光致发光（PL）光谱，确定了不同I/Br比例下混合卤化物钙钛矿的带隙。如图1a所示，FA0.90Cs0.10Pb(I0.98Br0.02)3薄膜的峰值发射波长约为800 nm，对应带隙1.55 eV。随着溴含量的增加，FA0.85Cs0.15Pb(I0.55Br0.45)3和FA0.85Cs0.15Pb(I0.15Br0.85)3薄膜的发射峰分别位于720 nm和662 nm，带隙分别为1.72 eV和1.88 eV，证实了三种不同带隙的存在。紫外-可见光吸收光谱（图S5）进一步证实了这些带隙，吸收峰从805 nm向730 nm和666 nm移动，表明带隙变宽。后续的X射线衍射（XRD）测量揭示了I/Br比例对晶体结构和纯度的影响：2%和45%溴含量样品在11.6°处出现δ相钙钛矿峰（FAPbI3），2%和45%溴含量样品在12.6°处出现PbI2峰；85%溴含量样品中这两种峰均不存在，表明溴已成功掺入钙钛矿晶格中，未影响晶体纯度和稳定性。2%和45%溴含量样品中的δ相和PbI2峰强度很低，而85%溴含量样品中这两种峰完全消失，表明溴的掺入没有降低晶体纯度和稳定性。从2%溴含量样品的13.8°到45%和85%溴含量样品的14.1°和14.3°，晶格参数d从6.40 ?减少到6.17 ?，表明晶体结构从四方相转变为立方相。45%和85%溴含量样品在20°、28°和32°处出现额外峰，表明钙钛矿中的溴含量增加。为了进一步评估I/Br比例对钙钛矿薄膜形态的影响，获得了2%、45%和85%溴含量样品的顶视扫描电子显微镜（SEM）图像。SEM分析显示所有样品均保持致密无孔结构，这对高性能太阳能电池的制备至关重要。随着溴含量的增加，晶粒尺寸减小，表明高溴含量可能加速结晶过程。电学模拟进一步证实了这一点，并指出在高溴浓度下载流子寿命缩短，这可能限制室内PCE的最大值。原子力显微镜（AFM）测量显示，2%、45%和85%溴含量样品的表面粗糙度（Ra）分别为7.3 nm、8.4 nm和10.2 nm。粗糙的吸收层有利于光捕获并减少反射损失，但可能因孔隙存在而影响器件性能。通过调整前驱体溶液浓度，研究了钙钛矿活性层的厚度，以确定PIPVs的最佳参数。使用FA0.90Cs0.10Pb(I0.98Br0.02)3（带隙1.55 eV）组成的器件在1000 lux光照下的PCE最高为30.05%，对应前驱体浓度为1.3 M时，短路电流密度（Jsc）为121.4 μA cm?2，开路电压（Voc）为0.897 V，填充因子（FF）为76.73%。最佳层厚度被确定为300–400纳米的范围，如图2a–c所示，这与图S3中展示的模拟结果一致。下载：下载高分辨率图像（3MB）下载：下载全尺寸图像

图2. (a)–(c) 具有不同带隙的相应电池的横截面SEM图像。(d)–(l) 带隙分别为1.55、1.72和1.88电子伏的钙钛矿太阳能电池的实验（实线）和模拟（虚线）J–V曲线，在3000 K、4000 K和5500 K的室内光（250–1000勒克斯）条件下。

在确定了与薄膜厚度相对应的最佳钙钛矿前驱体浓度后，对于1.55电子伏的Eg，使用了1.3 M的恒定浓度，以及其他Eg为1.72电子伏和1.88电子伏的组成。随后，在3000 K、4000 K和5500 K的不同温度下，以及在1000、500和250勒克斯的光照强度下评估了这些太阳能电池，如图S2所示。

具有1.55电子伏带隙的器件（图2d–f和表S3）显示开路电压（Voc）范围为0.82至0.90伏特，短路电流（Jsc）与光照强度呈线性关系。在1000勒克斯的照度下，Jsc为128.1微安/平方厘米，而在250勒克斯的弱光条件下，Jsc降低到31.9微安/平方厘米，表明电流具有高效的比例关系。在不同的色温下，最高的Jsc是在4000 K的照度下记录的，对应的辐照度为3.05瓦特/平方米。相比之下，在3000 K和5500 K下观察到的Jsc值较低，这是由于光谱重叠减少所致。填充因子（FF）相对保持稳定，范围在75.0%到79.7%之间，分别在1000勒克斯（3000 K）和250勒克斯（3000 K，辐照度为68瓦特/平方米）时的光电转换效率（PCE）为30%和31.3%。在4000 K和5500 K条件下，PCE大约为28%。尽管在500勒克斯下的中间数据显示出类似的趋势（表S3），但较低的Voc限制了效率。这一结果支持了先前的研究，表明较低的带隙对于室内条件来说不是最佳的。

对于具有1.72电子伏带隙的器件（图2g–i和表S4），观察到了更高的电流和电压。Voc值范围为0.92至1.01伏特，Jsc在1000勒克斯（4000 K）时达到132.1微安/平方厘米，在250勒克斯时降低到33.5微安/平方厘米。FF几乎保持不变，范围在74.6%到78.5%之间。在1000勒克斯时，效率范围为32.2%到35.0%，在3000 K时达到峰值PCE为35.04%。在250勒克斯的照度下，器件的效率甚至更高，在5500 K时达到36.6%。500勒克斯下的效率数据也反映了这些趋势，在所有温度下保持在33.5%到34.6%之间。这种带隙（1.72电子伏）在各种温度和强度下表现出可靠的高效率，这与预测一致，即1.70–1.80电子伏范围内的带隙最适合室内光伏应用，并且与报告一致，即在经过钝化和成分调整后，在LED照明下的效率超过40%。

具有1.88电子伏带隙的器件（图2j–l和表S5）显示出最高的Voc值，范围为0.96至1.04伏特。然而，电流密度相对较低，峰值低于126微安/平方厘米，这归因于红光子的吸收减少。这种现象在3000 K的光下最为明显，因为该波长下的红光比例较高；而在4000 K到5500 K的光下则不那么明显，因为这些波长下的蓝光比例更高。这种带隙的FF值记录在67.4%到74.9%之间。PCE从29.20%（3000 K，1000勒克斯）变化到37.44%（5500 K，250勒克斯）；这一PCE与类似活性面积的钙钛矿室内光伏器件报告的最高值相当。在250勒克斯的较低照度条件下（辐照度在68到76瓦特/平方米之间），它们在较冷的白色照明下表现出更好的性能，这支持了专注于优化钙钛矿以适应高温度光源的研究结果。

为了进一步探索这些观察结果并理解室内光伏（PIPV）性能的实际限制，我们使用了基于有限元方法的光学全波电磁建模和电学漂移-扩散建模进行了定量设备模拟（详见补充信息中的“光学-电学建模”部分）。光学模拟为不同的白光LED温度（3000、4000和5500 K）、照度强度（1000、500和250勒克斯）以及钙钛矿带隙（1.55、1.72和1.88电子伏）提供了空间分辨的载流子生成剖面。这些生成剖面被输入电学模型中，以求解稳态泊松方程和连续性方程，从而得到图2d–l中的模拟J–V曲线。

为了确保与实验数据的定量一致性，模型结合了Shockley–Read–Hall陷阱辅助复合机制，其中载流子寿命根据每个带隙的实验数据进行了校准，得到的值范围在20到55纳秒之间。这些值与多项关于IPV的理论和实验研究结果一致。此外，模拟的J–V曲线（虚线）与实验数据（实线）吻合良好，模拟的JSC、Voc、FF和最大功率输出随着温度和照度水平的变化而变化。

模拟中JSC的轻微低估主要是由于在带隙波长处的突然吸收截止（用于避免不同材料间亚带隙光学数据的不一致性）。此外，实验设备中观察到的较粗糙表面（图2a–c）与模型中假设的理想化平面界面相比也增强了吸收。重要的是，1.88电子伏器件的提取载流子寿命约为20纳秒，而1.55和1.72电子伏的情况约为50纳秒，这导致了最大可达到Voc的降低，从而产生了更高的Voc缺陷。这种较短的寿命与在高溴含量下观察到的较小晶粒尺寸有关（见图1），表明载流子寿命的减少是宽带隙PIPV最大可实现性能的关键限制因素。未来克服这些问题并进一步提高室内PCE的一种方法可能是尝试优化和增加宽带隙钙钛矿的晶粒尺寸。这可能导致室内PCE接近效率极限。

总体而言，模拟预测1.72电子伏器件的室内PCE更高，这与实验结果一致。这种行为归因于：(i) 有效的光谱匹配，这来自于入射光子光谱范围内的高效光吸收（见图S5a和b），产生了接近SQ极限JSC的约94%（见图S4b），以及比1.55电子伏器件更宽的带隙（更高的输出电压）；以及(ii) 比1.88电子伏器件更低的Voc缺陷（见图S5c）。

重要的是，1.88电子伏器件的提取载流子寿命约为20纳秒，而1.55和1.72电子伏的情况约为50纳秒，这导致了最大可达到Voc的降低，从而产生了更高的Voc缺陷。实验和模拟的Voc与SQ极限计算（见图S6c和d）的比较显示，虽然从1.55电子伏到1.72电子伏的Voc和SQ极限都有所增加，但从1.72电子伏到1.88电子伏的增加在实验/模拟情况下大约小了8.5%（见图S6c）。假设所有带隙情况下载流子寿命相等（约50纳秒）的模拟遵循SQ极限趋势（从1.72电子伏到1.88电子伏的提高约为12%；见图S6c），证实了载流子寿命的重要作用。改变载流子迁移率（2–200厘米^-2伏^-1秒^-1）对VOC没有显著影响（<约3%；见图s6d），表明在较高带隙下较低的pce主要是由于非辐射复合增加而不是电荷传输限制。这一结论进一步得到了在高溴含量下观察到的较小晶粒尺寸的支持（见图1），表明载流子寿命的减少是宽带隙pipv最大可实现性能的关键限制因素。

对器件性能的统计分析揭示了三种不同带隙之间的显著差异。每种带隙器件的数据包含了在所有三种白光led光谱下测量的性能指标。1.55电子伏带隙的器件（图3a）在1000勒克斯下的光电流为123.9 ± 5.4微安/平方厘米，填充因子为76.6 ± 1.5%，voc为0.87 ± 0.02伏特。相应的效率在1000勒克斯时为28.7 ± 1.5%，在500勒克斯时为28.5 ± 1.2%，在较低照度（250勒克斯）时为31.2 ± 1.0%。相比之下，1.72电子伏带隙的器件（图3b）表现出更好的性能，1000勒克斯下的voc为0.99 ± 0.02伏特，jsc为123.5 ± 4.5微安/平方厘米，填充因子稳定在76.0 ± 2.0%。这种配置在1000勒克斯时的效率为32.8 ± 1.2%，在500勒克斯时为31.8 ± 3.2%，在250勒克斯时为33.7 ± 1.9%。相反，1.88电子伏吸收剂在250勒克斯下的voc最高，记录的效率分别为27 ± 2.9%（1000勒克斯）、30.8 ± 2.9%（500勒克斯），并在250勒克斯时达到峰值33.3 ± 4.5%。总体而言，研究结果证实1.72电子伏组成在各种光照条件下提供了更可重复的性能，而1.88电子伏带隙变体在低光照条件下提供了最高的室内效率。

最后，在25 ± 5°c的环境温度、30 ± 5%的相对湿度条件下，以及1000勒克斯的照明下进行了稳定性评估，如图4a所示。fa0.85cs0.15pb(i0.55br0.45)3（1.72电子伏）器件的性能在超过600小时的时间内表现出显著改进。具体来说，pce从30.31%增加到35.04%，voc从0.954伏特增加到0.999伏特。ff保持在77%到78.5%的范围内，而jsc稳定在大约124微安/平方厘米。同时，fa0.85cs0.15pb(i0.45br0.55)3（1.88电子伏）组成在2000小时内的性能轨迹类似，其pce从25%增加到29%，voc从0.94伏特增加到1.04伏特，jsc从114微安/平方厘米增加到124微安/平方厘米，ff从58%增加到68%。1.72电子伏和1.88电子伏器件的稳定性提高被认为是由于光照下的光诱导缺陷钝化和卤素重新分布，这减少了非辐射复合。在1.88电子伏器件中，进一步的改进归因于spiro-ometad在光照下的逐渐氧化，这改善了空穴传输和填充因子。相比之下，fa0.90cs0.10pb(i0.98br0.02)3（1.55电子伏）器件在2000小时的时间跨度内保持了稳定的性能，pce在29%到30%的范围内。

结论

本研究调查了基于甲酰胺鎓-铯的钙钛矿csxfax?1pb(i1?ybry)3的组成工程，用于ipv应用。通过光致发光（pl）光谱，成功实现了三个目标带隙能量：1.55、1.72和1.88电子伏。同时，x射线衍射（xrd）显示溴有效掺入了晶体晶格中，这意外地抑制了δ相和pbi2杂质，这些杂质在室内太阳能电池应用中是系统报道的。使用扫描电子显微镜（sem）和原子力显微镜（afm）进行的形态分析显示形成了致密、无针孔的薄膜。然而，较高的溴含量导致晶粒尺寸减小和表面粗糙度增加，这是由于快速结晶造成的。一方面，这有助于器件实现高jsc，但另一方面（通过模拟）发现这是实现最大可能室内pce的限制因素。通过使用1.3 m的前驱体浓度，确定了300–400纳米的最佳活性层厚度。在不同白光发光二极管（wleds）下的性能测试表明，在宽带隙器件中，1.72电子伏带隙组成的jsc最高，而1.88电子伏带隙的voc最高。1.88电子伏带隙的器件在低光照强度（250勒克斯）下实现了显著的室内pce，为37.4%，超过了其他组成的性能。 对器件性能的统计分析揭示了三种不同带隙之间的显著差异。每种带隙器件的数据包含了在所有三种白光led光谱下测量的性能指标。1.55电子伏带隙的器件（图3a）在1000勒克斯下的光电流为123.9 ± 5.4微安 平方厘米，填充因子为76.6 ± 1.5%，voc为0.87 ± 0.02伏特。相应的效率在1000勒克斯时为28.7 ± 1.5%，在500勒克斯时为28.5 ± 1.2%，在较低照度（250勒克斯）时为31.2 ± 1.0%。相比之下，1.72电子伏带隙的器件（图3b）表现出更好的性能，1000勒克斯下的voc为0.99 ± 0.02伏特，jsc为123.5 ± 4.5微安 平方厘米，填充因子稳定在76.0 ± 2.0%。这种配置在1000勒克斯时的效率为32.8 ± 1.2%，在500勒克斯时为31.8 ± 3.2%，在250勒克斯时为33.7 ± 1.9%。相反，1.88电子伏吸收剂在250勒克斯下的voc最高，记录的效率分别为27 ± 2.9%（1000勒克斯）、30.8 ± 2.9%（500勒克斯），并在250勒克斯时达到峰值33.3 ± 4.5%。总体而言，研究结果证实1.72电子伏组成在各种光照条件下提供了更可重复的性能，而1.88电子伏带隙变体在低光照条件下提供了最高的室内效率。 最后，在25 ± 5°c的环境温度、30 ± 5%的相对湿度条件下，以及1000勒克斯的照明下进行了稳定性评估，如图4a所示。fa0.85cs0.15pb(i0.55br0.45)3（1.72电子伏）器件的性能在超过600小时的时间内表现出显著改进。具体来说，pce从30.31%增加到35.04%，voc从0.954伏特增加到0.999伏特。ff保持在77%到78.5%的范围内，而jsc稳定在大约124微安 平方厘米。同时，fa0.85cs0.15pb(i0.45br0.55)3（1.88电子伏）组成在2000小时内的性能轨迹类似，其pce从25%增加到29%，voc从0.94伏特增加到1.04伏特，jsc从114微安 平方厘米增加到124微安 平方厘米，ff从58%增加到68%。1.72电子伏和1.88电子伏器件的稳定性提高被认为是由于光照下的光诱导缺陷钝化和卤素重新分布，这减少了非辐射复合。在1.88电子伏器件中，进一步的改进归因于spiro-ometad在光照下的逐渐氧化，这改善了空穴传输和填充因子。相比之下，fa0.90cs0.10pb(i0.98br0.02)3（1.55电子伏）器件在2000小时的时间跨度内保持了稳定的性能，pce在29%到30%的范围内。 结论 本研究调查了基于甲酰胺鎓-铯的钙钛矿csxfax?1pb(i1?ybry)3的组成工程，用于ipv应用。通过光致发光（pl）光谱，成功实现了三个目标带隙能量：1.55、1.72和1.88电子伏。同时，x射线衍射（xrd）显示溴有效掺入了晶体晶格中，这意外地抑制了δ相和pbi2杂质，这些杂质在室内太阳能电池应用中是系统报道的。使用扫描电子显微镜（sem）和原子力显微镜（afm）进行的形态分析显示形成了致密、无针孔的薄膜。然而，较高的溴含量导致晶粒尺寸减小和表面粗糙度增加，这是由于快速结晶造成的。一方面，这有助于器件实现高jsc，但另一方面（通过模拟）发现这是实现最大可能室内pce的限制因素。通过使用1.3>
对器件性能的统计分析揭示了三种不同带隙之间的显著差异。每种带隙器件的数据包含了在所有三种白光led光谱下测量的性能指标。1.55电子伏带隙的器件（图3a）在1000勒克斯下的光电流为123.9 ± 5.4微安/平方厘米，填充因子为76.6 ± 1.5%，voc为0.87 ± 0.02伏特。相应的效率在1000勒克斯时为28.7 ± 1.5%，在500勒克斯时为28.5 ± 1.2%，在较低照度（250勒克斯）时为31.2 ± 1.0%。相比之下，1.72电子伏带隙的器件（图3b）表现出更好的性能，1000勒克斯下的voc为0.99 ± 0.02伏特，jsc为123.5 ± 4.5微安/平方厘米，填充因子稳定在76.0 ± 2.0%。这种配置在1000勒克斯时的效率为32.8 ± 1.2%，在500勒克斯时为31.8 ± 3.2%，在250勒克斯时为33.7 ± 1.9%。相反，1.88电子伏吸收剂在250勒克斯下的voc最高，记录的效率分别为27 ± 2.9%（1000勒克斯）、30.8 ± 2.9%（500勒克斯），并在250勒克斯时达到峰值33.3 ± 4.5%。总体而言，研究结果证实1.72电子伏组成在各种光照条件下提供了更可重复的性能，而1.88电子伏带隙变体在低光照条件下提供了最高的室内效率。

最后，在25 ± 5°c的环境温度、30 ± 5%的相对湿度条件下，以及1000勒克斯的照明下进行了稳定性评估，如图4a所示。fa0.85cs0.15pb(i0.55br0.45)3（1.72电子伏）器件的性能在超过600小时的时间内表现出显著改进。具体来说，pce从30.31%增加到35.04%，voc从0.954伏特增加到0.999伏特。ff保持在77%到78.5%的范围内，而jsc稳定在大约124微安/平方厘米。同时，fa0.85cs0.15pb(i0.45br0.55)3（1.88电子伏）组成在2000小时内的性能轨迹类似，其pce从25%增加到29%，voc从0.94伏特增加到1.04伏特，jsc从114微安/平方厘米增加到124微安/平方厘米，ff从58%增加到68%。1.72电子伏和1.88电子伏器件的稳定性提高被认为是由于光照下的光诱导缺陷钝化和卤素重新分布，这减少了非辐射复合。在1.88电子伏器件中，进一步的改进归因于spiro-ometad在光照下的逐渐氧化，这改善了空穴传输和填充因子。相比之下，fa0.90cs0.10pb(i0.98br0.02)3（1.55电子伏）器件在2000小时的时间跨度内保持了稳定的性能，pce在29%到30%的范围内。

结论

本研究调查了基于甲酰胺鎓-铯的钙钛矿csxfax?1pb(i1?ybry)3的组成工程，用于ipv应用。通过光致发光（pl）光谱，成功实现了三个目标带隙能量：1.55、1.72和1.88电子伏。同时，x射线衍射（xrd）显示溴有效掺入了晶体晶格中，这意外地抑制了δ相和pbi2杂质，这些杂质在室内太阳能电池应用中是系统报道的。使用扫描电子显微镜（sem）和原子力显微镜（afm）进行的形态分析显示形成了致密、无针孔的薄膜。然而，较高的溴含量导致晶粒尺寸减小和表面粗糙度增加，这是由于快速结晶造成的。一方面，这有助于器件实现高jsc，但另一方面（通过模拟）发现这是实现最大可能室内pce的限制因素。通过使用1.3 m的前驱体浓度，确定了300–400纳米的最佳活性层厚度。在不同白光发光二极管（wleds）下的性能测试表明，在宽带隙器件中，1.72电子伏带隙组成的jsc最高，而1.88电子伏带隙的voc最高。1.88电子伏带隙的器件在低光照强度（250勒克斯）下实现了显著的室内pce，为37.4%，超过了其他组成的性能。>这款1.72 eV的器件具有较高的Jsc（短路电流）、Voc（开路电压）和FF（填充因子）值，在250勒克斯的光照条件下实现了36.6%的光电转换效率（PCE），在1000勒克斯的光照条件下实现了35.04%的光电转换效率，使其成为不同室内照明条件（强度和色温）下室内能量收集应用的最佳候选器件。

### 实验与方法
本研究中使用的所有化学物质和材料均为分析级，未经进一步纯化直接使用。

- **电子传输层（ETL）**：钛二异丙氧基双（乙酰丙酮酸）溶液（75%溶于2-丙醇）和99.8%以上的乙醇购自Sigma Aldrich；介孔TiO2浆料（30NRD）购自Greatcell Solar Materials Pty Ltd。
- **钙钛矿层材料**：二甲基亚胺 >99.8%（DMF）和二甲基亚砜 >99.8%（DMSO）购自Sigma Aldrich；氯化甲基铵 >99.99%（MACl）和碘化甲酰胺 >99.99%（FAI）购自Greatcell Solar Materials Pty Ltd；碘化铯 99.999%（CsI）、碘化铅 99.999%（PbI2）和溴化铅 99.999%（PbBr2）购自Alfa Acer。
- **空穴传输层（HTL）**：SpiroOMe-TAD >99.8%购自西安聚合物光技术有限公司；乙腈和异丙醇以及双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂 >99.9%购自Sigma Aldrich。
- **电极材料**：99.999%的金（Au）购自Plasmaterials, Inc。

### 器件制备
1. **TiO2层制备**：使用钛二异丙氧基双（乙酰丙酮酸）溶液（75%溶于2-丙醇，600 μL）和400 μL乙酰丙酮，在9000 μL乙醇中配制TiO2溶液；将介孔TiO2层稀释成浆料（重量比1:6），以5000转/分钟的转速旋涂15秒，然后在干燥气氛中450°C下烧结30分钟。
2. **钙钛矿层制备**：使用0.5 mL DMF: DMSO = 4:1的混合溶剂，配制浓度为1.3 M的钙钛矿前驱体溶液。
3. **混合卤化物钙钛矿层制备**：制备了三种不同碘化物-溴化物比例的钙钛矿样品，以研究卤化物含量对薄膜质量和器件性能的影响。具体配方为：FA0.85Cs0.15Pb(I0.15–Br0.85)3、FA0.85Cs0.15Pb(I0.55–Br0.45)3和FA0.90Cs0.10Pb(I0.98–Br0.02)3。
- 对于FA0.90Cs0.10Pb(I0.98–Br0.02)3配方，前驱体溶液包含14 mg氯化甲基铵（MACl）、16.9 mg碘化铯（CsI）、4.8 mg溴化铅（PbBr2）、96.9 mg碘化甲酰胺（FAI）和299.3 mg碘化铅（PbI2）。
- 对于FA0.85Cs0.15Pb(I0.55–Br0.45)3配方，使用14 mg MACl、25.3 mg CsI、107.2 mg PbBr2、96.9 mg FAI和168.1 mg PbI2。
- 对于FA0.85Cs0.15Pb(I0.15–Br0.85)3配方，使用14 mg MACl、25.3 mg CsI、202.8 mg PbBr2、96.9 mg FAI和45.8 mg PbI2，溶剂体积为0.5 mL。
- 所有前驱体溶液均搅拌过夜以确保完全溶解，然后通过0.45 μm过滤器过滤，以5000转/分钟的转速旋涂40秒。
4. **钝化层制备**：将3 mg正辛基碘化铵（OAI）溶解在1 mL异丙醇中，以4000转/分钟的转速旋涂30秒。
5. **掺杂SpiroOMe-TAD层**：将双（三氟甲磺酰）亚胺锂盐（520 mg LiTFSI溶于1 mL乙腈的溶液24 μL）和4-叔丁基吡啶（1 mL氯苯中的28.8 μL）掺入SpiroOMe-TAD中，以4000转/分钟的转速旋涂25秒。
6. **金层制备**：通过热蒸发沉积约80–100 nm厚的金（Au）层，完成器件制备。

### 表征方法
- **扫描电子显微镜（SEM）**：使用场发射扫描电子显微镜（JSM-6010PLUS/LV，JEOL Ltd）在10 keV的工作电压下观察钙钛矿样品的形态特征。
- **原子力显微镜（AFM）**：使用Bruker Dimension ICON AFM系统研究表面形貌。
- **X射线衍射（XRD）**：使用Rigaku Mini Flex装置进行X射线衍射分析，扫描范围为10°至50°。
- **稳态光致发光（PL）**：使用Horiba FL3C-222系统，在450 nm波长下获取光谱。
- **电流-电压（J–V）特性**：在室内光条件下，使用ILS-30标准光谱模拟器（Enlitech Technology）记录室内光伏器件（PVK）的J–V特性。LED在测量前稳定30分钟。器件在3000 K、4000 K和5000 K的温度下，分别在1000勒克斯、500勒克斯和250勒克斯的光照条件下进行测量。孔径掩模面积为1 cm2。

### 作者贡献
- E. A. A. 提出研究思路，设计并规划实验，监督整个研究过程。
- M. S. A.、F. I. A.、T. F. A. 和 A. S. A. 制备并优化钙钛矿太阳能器件，进行所有基础表征，分析数据，并在E. A. A.、G. K.、T. F. A. 和 N. R. A. 的支持下撰写初稿。
- E. A. A.、G. K. 和 G. P. 修订初稿并解释实验结果。
- G. P. 负责模拟计算并撰写相关部分。
- H. A.、A. H. S. 和 I. H. K. 参与结果分析、讨论及研究监督。
- N. T.、D. T.、M. M. A. 和 A. A. 负责顶视图SEM观察、截面AFM分析、PL测量及数据分析。
- 所有作者共同参与手稿的撰写并同意提交。

### 利益冲突
本研究不存在需要声明的利益冲突。

### 数据可用性
支持本文的数据已作为补充信息（SI）的一部分提供。补充信息可查阅：https://doi.org/10.1039/d5ma01159k