仪器表征，科学家研发高性能钙钛矿太阳能电池！

【科学背景】

全钙钛矿叠层太阳能电池是下一代光伏技术中的重要发展方向，因其光电转换效率（PCE）的迅速提升和有望超过单结太阳能电池的详细平衡极限而成为了研究热点。然而，当前全钙钛矿叠层电池中，特别是在混合锡-铅（Sn-Pb）低带隙层内，非辐射复合及其随时间逐步恶化的问题严重限制了其性能和稳定性。表面Sn的过量导致了成分梯度，这一梯度加剧了氧化，并显著提高了复合速率，进一步降低了器件的效率和稳定性。

有鉴于此，加拿大多伦多大学/美国西北大学化学系Edward H. Sargent院士/陈斌助理教授、美国托莱多大学鄢炎发教授团队合作通过添加剂工程和后处理技术，特别是引入二胺螯合剂，提出了一种有效的表面钝化策略。该方法优先螯合锡原子，去除了薄膜表面的多余锡，平衡了Sn:Pb的化学计量比，形成了抗氧化的低维势垒层，从而减少了界面复合。通过进一步使用1,2-二氨基丙烷来改善钝化层的均匀性，最终实现了更均匀的表面钝化，使得全钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率达到了28.8%，并在模拟一太阳照明条件下保持了1000小时操作后90%的初始效率。

【科学亮点】

（1）本实验首次发现混合Sn–Pb钙钛矿薄膜在表面存在成分梯度，表面锡含量过多，导致氧化加剧并增加复合速率。实验中，研究人员利用二胺优先螯合锡原子，将其从薄膜表面去除，从而实现了更为平衡的Sn:Pb化学计量比。

（2）通过这一处理过程，形成了电阻性低维势垒层，有效钝化了缺陷并减少了界面复合。此外，研究人员通过使用1,2-二氨基丙烷进一步改善了势垒层的均匀性，最终实现了更均匀的分布和钝化效果。

（3）实验结果表明，这一策略使得钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率达到了28.8%。封装后的叠层电池在模拟的一太阳照明下最大功率点工作1000小时后，仍保留了初始效率的90%，且无需冷却，表现出卓越的稳定性。

【科学图文】

图1： 混合Sn-Pb薄膜的氧化抑制。

图2：混合Sn-Pb薄膜的表面钝化。

图3：混合Sn-Pb PSCs的性能和稳定性。

图4：串联装置性能及稳定性。

【科学启迪】

本文通过深入研究混合锡铅（Sn–Pb）钙钛矿薄膜的成分梯度及其对氧化和复合速率的影响，揭示了材料表面锡过量所导致的性能与稳定性问题。研究发现，通过使用二胺分子优先螯合锡原子，能够有效调节薄膜表面的Sn:Pb比例，使其抗氧化性增强，进而钝化缺陷，减少界面复合。进一步利用1,2-二氨基丙烷来改善势垒层的均匀性，不仅提升了钝化效果，还显著提高了钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率（PCE）和长期稳定性。这一发现为优化钙钛矿叠层太阳能电池的性能提供了新的策略，特别是在提高低带隙层的稳定性方面，具有重要的应用潜力。通过调控表面化学组成和钝化缺陷，本研究为实现更高效、更耐用的钙钛矿叠层太阳能电池提供了科学依据和技术路径。

参考文献：Li, C., Chen, L., Jiang, F. et al. Diamine chelates for increased stability in mixed Sn–Pb and all-perovskite tandem solar cells. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01613-8