文章介绍
具有宽带隙钙钛矿和Cu(In，Ga)Se 2的薄膜叠层太阳能电池有望成为具有成本效益的轻质光致发光器件。然而，由于宽带隙钙钛矿中的复合损耗和光热诱导退化，钙钛矿/Cu(In，Ga)Se 2叠层太阳能电池的功率转换效率和稳定性尚不能与单结对应物相比。
基于此，北京理工大学陈棋等人表明，钙钛矿钝化的常见策略往往失败下结合热和光照应力由于钝化剂解吸。作者展示了一个强大的钝化剂与设计的官能团，抑制钝化剂解吸，而不管钙钛矿表面终止，提高了对光热应力的抵抗力，并大大抑制了相分离。宽带隙钙钛矿太阳能电池实现了23.5%的冠军功率转换效率，在1-sun 1500h连续光照~50℃衰减可忽略，当集成到钙钛矿/Cu(In，Ga)Se 2串联电池中时，它们实现了27.93%的稳态功率转换效率(认证为27.35%)，在环境空气中约38 °C下稳定运行超过420小时。该论文近期以“Inhibiting defect passivation failure in perovskite for perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells with certified efficiency 27.35%”为题发表在顶级期刊Nature Energy上。
研究亮点：
缺陷钝化失败抑制：研究团队开发了一种新方法来抑制钙钛矿太阳能电池中的缺陷钝化失败，提高了电池的效率和稳定性。
效率提升：采用这种策略的钙钛矿太阳能电池实现了超过27%的光电转换效率。
稳定性增强：优化后的电池在长期运行中展现出了优异的稳定性。
研究内容：
该研究专注于通过控制钙钛矿材料的结晶过程来提高钙钛矿太阳能电池的性能。科研团队通过精确控制钙钛矿材料的结晶条件，优化了材料的电子结构和界面特性，从而提高了电荷传输效率和电池的整体性能。
研究意义：
性能提升：这项工作提供了一种通过控制钙钛矿材料的结晶过程来提高太阳能电池效率和稳定性的新方法。
推动产业化进程：这种抑制缺陷钝化失败的技术为钙钛矿太阳能电池的商业化和大规模生产提供了新的可能性，有助于推动绿色能源技术的广泛应用和可持续发展。
科学贡献：该研究为理解和设计高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供了新的视角，对于钙钛矿太阳能电池领域的科学进步具有重要贡献。
图文信息
图1. 光热应力下的钝化失效行为及其抑制。a，光热应力下PEA+从WBG钙钛矿晶格上脱附的示意图，而TAR 3保持紧密吸附。红色箭头表示脱附过程;垂直的橙子虚线标记PEA+和TAR 3钝化之间的边界，左侧PEA+钝化钙钛矿晶粒，右侧TAR 3钝化;这三个晶格组类似于晶粒，空隙代表晶粒边界。b-d，在连续120 ℃加热和1-太阳等效照明下，制备的对照(B)、PEA+(c)和TAR 3(d)钙钛矿膜的PL分布的演变。PEA+(e)和TAR 3(f)钙钛矿膜在100 °C加热和1- 100 °C加热下的时间演变的1H NMR光谱。δ表示化学位移。PEA+钙钛矿膜在100 ℃加热和1-太阳等效照明下的C 1 s(g)和Pb 4f(h)XPS谱的演变。C-N信号用绿色阴影突出显示，绿色虚线用于连接初始区域和放大区域的两个绿色阴影区域。左手侧阴影中的黑色虚线是眼睛的向导，用于区分C-N信号的变化。h中的垂直虚线标记Pb 4f的初始结合能位置。
图2. 芳族铵阳离子与钙钛矿相互作用的DFT和从头算分子动力学研究。a-c，吸附在FAPbI 3钙钛矿表面的FAI末端(a)、PbI 2末端(B)和混合末端(c)的芳族铵钝化剂的原子结构。吸附在左边和右边的阳离子是PEA+和TAR 3，黄色区域表示电荷积累区域，蓝色区域表示电荷耗尽区域。虚线框突出显示钝化剂的带负电荷区域与钙钛矿之间的相互作用。吸附在钙钛矿表面的各种终端上的PEA+和TAR 3的脱附能的比较e，钙钛矿与PEA+和TAR 3吸附的缺陷形成能的比较f，对照、PEA+和TAR 3钙钛矿膜的随温度变化的电导率测量。线表示线性拟合的结果跟踪电导率随温度的变化。g，在373.15K的温度下FAPbI 3钙钛矿表面上I-的从头算分子动力学。虚线表示均方根位移波动曲线的平均值。
图3. WBG钙钛矿薄膜和器件的光电特性。a，单结WBG PSC的优化结构的示意图。B，冠军TAR 3器件的J-V曲线。C，近年来已发布的p-i-n WBG PSC性能总结。d，石英衬底上的对照和芳族铵阳离子处理的WBG钙钛矿膜的PLQY。e，作为光强度的函数的VOC，其中线表示线性拟合的结果。f，对照和芳族铵阳离子处理的WBG器件的TPV。g，在~30 ℃下在N2中在白光照射(1-太阳)下在开路条件下测量的未包封的WBG器件的PCE演变。对照、PEA+和TAR 3钙钛矿器件的初始效率为18.08%，h，在N2中连续1-sun白光照射下未封装的WBG器件的长期操作稳定性测试。在MPP附近的恒定电偏压下在约50 °C下记录电流输出。对照、PEA+和TAR 3钙钛矿器件的初始效率为18.00%，用于稳定性测试的器件结构是玻璃/ITO/PTAA/OAI/钙钛矿/C60/BCP/Ag。
图4. 钙钛矿/CIGS TSC的PV性能和稳定性。a，钙钛矿/CIGS TSC的结构示意图。B，钙钛矿/CIGS TSC的横截面SEM。c，性能最佳的钙钛矿/CIGS TSC的J-V曲线。d，钙钛矿/CIGS TSC的稳定PCE。e，最佳性能的钙钛矿/CIGS TSC的EQE曲线。钙钛矿和CIGS的积分电流密度分别为19.25 mA cm-2和19.10 mA cm-2。近年来发表的钙钛矿/CIGS TSC性能总结。g，未封装的TAR 3串联器件的MPP稳定性跟踪，初始PCE为23.60%，水平虚线表示PCE为23.60%。
总之，作者表明，具有精心设计的官能团的芳香族铵阳离子(即磺酰氟基团)可以有效抑制钝化失效，实现多位缺陷钝化，促进WBG钙钛矿的电荷载流子传输。这一进步使1.68 eV钙钛矿的VOC和FF接近其理论极限，从而极大地提高了WBG PSC的效率(PCE > 23%)和钙钛矿/CIGS TSC更重要的是，TAR 3钙钛矿膜即使在200个太阳的照射下也消除了相分离，确保稳定的单结和钙钛矿/CIGS TSC在持续的光照和热联合应力下具有最先进的长期运行稳定性。这些发现突出了我们的钝化策略在推进高度耐用和高效的钙钛矿光伏技术方面的潜力。
器件制备
器件制备：
ITO/PTAA/OAI/PVSK/GABr+PI/C60/BCP/Ag
1. ITO清洗，UV 30min，10%F4-TCNQ掺杂的PTAA溶液溶解在氯苯，浓度为2 mg/mL，4000rpm 30s旋涂，120°C退火3分钟。OAI溶液浓度为3 mg/mL于DMF，3000rpm 30s旋涂增加浸润性;
2. 1.5 M DMA0.1Cs0.2MA0.05 FA0.65Pb(I0.9Br0.1)3，含额外5% MAPbCl 3溶于 DMF:DMSO=4:1 (v/v)，在前驱体中加入相对于1.5M Pb的0.25%、0.5%、0.75%和1%的PEACl或4-(2-氨基乙基)苯磺酰氟盐酸盐，1000rpm 5s+3500rpm 10s，将基板立即转移到真空闪蒸夹具中，并抽真空至120毫托20秒，然后抽真空至1.5托15秒。一旦真空室达到与手套箱压力的平衡，将基材迅速转移到热板上，并在100 ℃下退火15分钟。3. 将0.8 mg GABr和0.2 mg PI溶解在IPA溶液中，然后以5，000 rpm旋涂，接着在100 ℃退火5 min。4. 蒸镀30 nm C60，7nm BCP; 蒸镀120 nm Ag;钙钛矿/CIGS叠层用于NiOx/混合SAM和后处理的工艺与单结钙钛矿器件上的工艺相同，具有一些调整：
1. 进行具有从1.5至1.7 M的增强浓度的Peroxide前体以完全覆盖粗糙的CIGS衬底。钙钛矿膜的退火温度从100 °C提高至110 °C。
2. C60 15 nm，ALD SnO2，90次循环。
4. 溅射70 nm ITO层，并在ITO顶部热蒸发500 nm Ag。最后，通过热蒸发沉积110 nm MgFx抗反射涂层。TSC的有效面积为0.21 cm 2。
文章信息
Pei, F., Lin, S., Zhang, Z. et al. Inhibiting defect passivation failure in perovskite for perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells with certified efficiency 27.35%. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01761-5
DOI: 10.1038/s41560-025-01761-5
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