Nature Photonics：穩(wěn)定鈣鈦礦探測器持續(xù)進展

全鈣鈦礦疊層太陽能電池因其超高效率和溶液可加工性，被視為最具成本效益的光伏技術(shù)之一。近年來，基于寬帶隙與窄帶隙錫鉛鈣鈦礦的子電池發(fā)展迅速，疊層電池認證效率已突破30%，超過單結(jié)鈣鈦礦電池。然而，在商業(yè)化關(guān)鍵的光?熱復(fù)合應(yīng)力條件下（ISOS-L-3），其穩(wěn)定性仍遠未達標。根本原因在于錫鉛鈣鈦礦表面具有高反應(yīng)性，易形成缺陷與氧化產(chǎn)物（如SnI?），即使采用有機分子鈍化策略，仍難以抑制其在光熱應(yīng)力下的組分揮發(fā)、氧化和降解。因此，開發(fā)一種既能保持高效率又能實現(xiàn)光熱穩(wěn)定表面的方法，是全鈣鈦礦疊層電池走向商業(yè)化亟待解決的核心問題。

近日，華東師范大學(xué)方俊鋒教授、付圣研究員及瑞典林雪平大學(xué)高峰教授、蘇州大學(xué)王長擂教授等研究者提出一種與傳統(tǒng)分子鈍化不同的靶向轉(zhuǎn)化策略，通過氫氧化銫處理錫鉛鈣鈦礦表面，利用其強堿性釋放OH?，將有害的SnI?和缺陷表面轉(zhuǎn)化為堅固的金屬氧化物保護層，同時以Cs?取代易揮發(fā)的有機陽離子。該處理顯著提升了薄膜與器件的光熱穩(wěn)定性與光電性能。窄帶隙錫鉛單結(jié)電池冠軍效率達23.65%，基于此構(gòu)建的全鈣鈦礦疊層電池效率達29.52%（認證28.56%）。在ISOS-L-3條件下運行500小時后，疊層電池仍保持90.3%的初始效率，遠優(yōu)于傳統(tǒng)胺類鈍化器件。該研究為實現(xiàn)高效、光熱穩(wěn)定的全鈣鈦礦疊層電池提供了可行路徑。

相關(guān)研究以“Highly stable all-perovskite tandem solar cells with targeted conversion of tin–lead surfaces”為題，發(fā)表在Nature Photonics上。

圖文解析

圖1 不同表面結(jié)構(gòu)對錫鉛鈣鈦礦薄膜光熱穩(wěn)定性的影響

圖1展示了不同表面結(jié)構(gòu)對錫鉛鈣鈦礦薄膜光熱穩(wěn)定性的影響。作者通過密度泛函理論模擬比較了傳統(tǒng)胺類終端與無機Cs/SnO?終端結(jié)構(gòu)的分解能壘，發(fā)現(xiàn)SnO?具有最高的分解能（6.32 eV），理論上可提供更強的光熱保護。實驗上，通過氣相色譜?質(zhì)譜與X射線光電子能譜分析不同處理后的薄膜在光熱老化后的NH?釋放與Sn??含量變化，發(fā)現(xiàn)CsOH處理能有效抑制NH?與I?的釋放，并保持Sn??比例基本不變，表面電位與光致發(fā)光強度也最為穩(wěn)定。這些結(jié)果表明，CsOH處理形成的表面結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗光熱降解能力。

圖2 針對Sn-Pb表面的魯棒轉(zhuǎn)換

圖2呈現(xiàn)了CsOH處理在錫鉛鈣鈦礦表面誘導(dǎo)的靶向堅固轉(zhuǎn)化過程示意圖及相關(guān)表征。示意圖說明OH?與SnI?及亞穩(wěn)表面反應(yīng)生成金屬氫氧化物，隨后退火轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的金屬氧化物層，同時Cs?填入A位空位。高分辨透射電鏡顯示處理后界面出現(xiàn)約10 nm的過渡區(qū)，能譜成像證實該區(qū)域富含O和Cs。O 1s XPS譜中檢測到金屬氧化物鍵信號，掠入射X射線衍射表明表面發(fā)生Cs取代并引起晶格收縮與帶隙展寬。納米壓痕測試顯示表面楊氏模量從49.41 GPa提高至58.55 GPa，從力學(xué)角度印證了表面堅固性的提升。

圖3 Sn-Pb鈣鈦礦薄膜和電池的性能變化

圖3表征了CsOH處理后錫鉛鈣鈦礦薄膜與電池的性能變化。掃描電鏡與導(dǎo)電原子力顯微鏡顯示處理后的薄膜表面形貌重構(gòu)、粗糙度降低，表面電導(dǎo)率下降，表明缺陷表面轉(zhuǎn)化為非晶金屬氧化物覆蓋層。密度泛函理論計算表明SnO?在錫鉛晶格上的吸附能遠高于常用EDA分子，提供更穩(wěn)固的表面鈍化。瞬態(tài)吸收光譜顯示處理后的薄膜在鈣鈦礦-C??界面處載流子提取時間常數(shù)從99.8 ps縮短至62.1 ps，說明電子提取效率提升。最終制備的倒置窄帶隙電池冠軍效率達23.65%，開路電壓與填充因子顯著提高，并表現(xiàn)出更低的遲滯效應(yīng)與更好的重復(fù)性。

圖4 全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的光伏性能與穩(wěn)定性

圖4展示了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的光伏性能與穩(wěn)定性。通過堆疊經(jīng)CsOH處理的窄帶隙子電池與寬帶隙子電池，制備的APTSCs冠軍效率達29.52%，認證效率為28.56%，開路電壓提高至2.188 V。外量子效率譜積分電流密度與J-V曲線結(jié)果吻合，器件效率分布統(tǒng)計顯示CsOH處理使平均效率從26.57%提升至28.86%。在ISOS-L-3條件下進行最大功率點跟蹤測試，CsOH處理的APTSCs在500小時后仍保持90.3%的初始效率，在85°C苛刻條件下T??壽命超過150小時，穩(wěn)定性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)胺鈍化器件及已報道的其他APTSCs。

該項研究成功展示了一種通過CsOH表面處理實現(xiàn)靶向堅固轉(zhuǎn)化的新策略，顯著提升了全鈣鈦礦疊層電池在ISOS-L-3條件下的耐久性。不同于傳統(tǒng)分子鈍化，強堿性CsOH可將有害的SnI?和缺陷表面轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的金屬氧化物覆蓋層，同時OH?驅(qū)動揮發(fā)性有機陽離子脫離A位，經(jīng)退火后形成熱穩(wěn)定的Cs終端。該處理不僅提高了錫鉛薄膜的光熱穩(wěn)定性，也優(yōu)化了其光電特性，最終使疊層電池效率達到29.52%，并在500小時ISOS-L-3老化后保持90.3%的初始效率，性能遠超傳統(tǒng)分子鈍化體系。該工作為發(fā)展高效、光熱穩(wěn)定的含錫鈣鈦礦光電器件提供了重要方向。

Sun, N., Fu, S., Li, Y. et al. Highly stable all-perovskite tandem solar cells with targeted conversion of tin–lead surfaces. Nat. Photon. (2026). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01815-w

（來源：網(wǎng)絡(luò) 版權(quán)屬原作者 謹致謝意）