南京大学，再发Nature！

全钙钛矿串联太阳能电池通过将宽带隙（~1.8 eV）和窄带隙（~1.25 eV）钙钛矿子电池堆叠，展现出超越单结电池效率的巨大潜力，同时保留了溶液加工技术的低成本优势。然而，窄带隙子电池中空穴传输层与钙钛矿界面处的非辐射复合损失严重制约了其光电转换效率的提升。尤其是在铅锡混合窄带隙钙钛矿中，埋底界面的电荷复合问题尤为突出。传统的长链胺类钝化策略虽能部分改善开路电压，但常因分子尺寸过大形成绝缘屏障，导致载流子传输受阻，从而降低填充因子和短路电流密度，限制了整体性能的进一步提升。

鉴于此，南京大学谭海仁教授团队提出了一种偶极钝化策略，有效降低了铅锡混合钙钛矿埋底界面的陷阱密度，同时实现了HTL/钙钛矿界面的精确能级对齐。该策略通过引入具有23.58 D偶极矩的磺胺酸分子，在界面处形成定向偶极层，增强欧姆接触，促进空穴注入至HTL并排斥电子，从而抑制非辐射复合。实验表明，该策略将载流子扩散长度延长至6.2 μm，使铅锡钙钛矿单结电池效率达到24.9%，开路电压为0.911 V，短路电流密度为33.1 mA cm⁻²，填充因子为82.6%。此外，该策略有效缓解了串联器件中互联层引起的接触损失，使全钙钛矿串联太阳能电池效率达到30.6%（认证稳定效率30.1%），创造了当前该类型器件的最高纪录。相关研究成果以题为“All-perovskite tandem solar cells with dipolar passivation”发表在最新一期《nature》上。

值得一提的是，本文一作兼通讯作者为南京大学林仁兴助理教授，从2022年至今，每年一篇《nature》，已发表四篇。

【偶极钝化在铅锡钙钛矿电池中的应用】

研究团队设计了一种在HTL/铅锡钙钛矿界面处具有钝化基团和正向偶极取向的偶极钝化层。选用磺胺酸作为偶极分子，其–NH₃⁺基团用于钝化缺陷，–SO₃⁻基团则吸附于PEDOT:PSS上，形成稳定的偶极取向（图1a）。飞行时间二次离子质谱分析显示，SA分子在钙钛矿底部界面处富集（图1b），X射线光电子能谱进一步证实了SA在埋底界面的存在（图1c）。分子动力学模拟表明，SA分子倾向于以–NH₃⁺锚定钙钛矿表面，–SO₃⁻朝向HTL的取向排列，增强了界面能级调控（图1d）。开尔文探针力显微镜测量显示，经偶极钝化后，钙钛矿表面电势从-80 mV降至-162 mV，PEDOT:PSS表面电势提高76 mV，验证了偶极取向的一致性。紫外光电子能谱分析表明，钝化后钙钛矿的功函数从-4.68 eV变为-4.74 eV，价带顶从-5.27 eV变为-5.26 eV，PEDOT:PSS功函数从-4.90 eV升至-4.81 eV，形成了有利于空穴提取的II型能级对齐（图1e,f）。这种能级结构在界面处形成指向PEDOT:PSS的内建电场，驱动空穴漂移并排斥电子，有效抑制了缺陷层处的非辐射复合。

图 1. 双极钝化混合Pb-Sn NBG钙钛矿太阳能电池器件结构及能量图

【铅锡钙钛矿电池的载流子动力学】

为进一步评估偶极钝化对载流子行为的影响，研究团队进行了多项光电表征。稳态光致发光光谱显示，钝化后样品PL强度显著增强（图2a），表明非辐射复合被有效抑制。时间分辨光致发光测试中，钝化样品呈现出快速初始衰减（τ₁ = 43 ns）和缓慢二次衰减（τ₂ = 3912 ns），而对照组分别为132 ns和1882 ns（图2b），说明钝化后载流子分离更快、复合更慢。飞秒分辨太赫兹泵浦-探测光谱测得钝化样品的载流子迁移率为113.5 cm² V⁻¹ s⁻¹，高于对照组的67.5 cm² V⁻¹ s⁻¹，载流子扩散长度从4.8 μm提升至6.2 μm（图2c）。电致发光量子产率测试显示，在等效1太阳光电流密度下，钝化器件的ELQY从2.40%提升至7.05%，对应非辐射复合引起的开路电压损失从103 mV降至73 mV（图2d,e）。准费米能级分裂测试进一步表明，钝化后钙钛矿薄膜的QFLS从958 meV提升至968 meV，在完整器件结构中仍保持较高值（图2f）。微观PL mapping显示钝化样品底部界面非辐射复合显著改善（图2g）。SCAPS-1D模拟结果确认，偶极钝化有效降低了界面复合损失，提升了器件的Voc、Jsc和FF（图2h）。

图 2. Pb-Sn 钙钛矿/HTL 界面的载流子动力学

【铅锡钙钛矿电池的光伏性能】

研究团队制备了有无偶极钝化处理的铅锡钙钛矿太阳能电池，结构为ITO/PEDOT:PSS/SA/NBG perovskite/C₆₀/BCP/Cu（图3a）。在最优SA浓度为0.5 mg mL⁻¹条件下，钝化器件的平均效率从22.6±0.2%提升至23.9±0.3%，平均Voc提高23 mV，FF提升0.6%（图3b）。统计208个器件后得到的效率分布显示，钝化器件效率集中在23-25%之间（图3c）。冠军器件在反向扫描下效率达24.9%（稳定24.7%），Voc为0.911 V，Jsc为33.1 mA cm⁻²，FF为82.6%（图3d）。外量子效率光谱积分电流为32.7 mA cm⁻²，与J-V测试结果吻合良好（图3e）。未封装器件在N₂手套箱中暗态存储1000小时后未出现明显效率衰减，表明偶极钝化在抑制非辐射复合的同时保持了良好的电接触质量。

图 3. 双极钝化混合Pb-Sn窄带隙钙钛矿太阳能电池的光伏性能

【全钙钛矿串联太阳能电池的性能】

在串联电池中，窄带隙子电池的埋底界面质量对整体性能至关重要。研究团队构建了结构为Glass/ITO/NiO/SAM/WBG perovskite/C₆₀/ALD-SnO₂/Au/PEDOT:PSS/SA/NBG perovskite/C₆₀/BCP/Cu的全钙钛矿串联电池（图4a）。宽带隙子电池采用FA₀.₈Cs₀.₂Pb(I₀.₆₂Br₀.₃₈)₃，效率为20.5%。通过优化吸收层厚度（WBG ~380 nm，NBG ~1200 nm）实现电流匹配。对比实验表明，偶极钝化串联器件的平均Voc比对照组高约50 mV，FF提升0.8%，平均效率从29.1±0.2%提升至30.3±0.3%（图4b）。统计282个器件显示效率分布集中（图4c）。冠军串联电池在反向扫描下效率达30.6%（稳定30.2%），Voc为2.211 V，Jsc为16.6 mA cm⁻²，FF为83.4%（图4d）。EQE光谱积分电流均为16.6 mA cm⁻²，与J-V测量一致（图4e）。该结果经日本电气安全与环境技术实验室认证，0.049 cm²和1.05 cm²器件的稳定效率分别为30.1%和29.6%。此外，研究发现PEDOT:PSS作为HTL存在寄生吸收问题，未来通过优化HTL材料有望进一步提升Jsc。封装后的串联器件在最大功率点跟踪下运行1025小时后仍保持87%的初始效率，热稳定性测试中也表现出更缓慢的衰减，表明偶极钝化分子兼具两性特性，可缓解PEDOT:PSS酸性对器件稳定性的负面影响。

图 4. 偶极钝化全钙钛矿串联太阳能电池的光伏性能

【总结】

本研究通过引入磺胺酸作为偶极钝化分子，成功实现了铅锡钙钛矿埋底界面的缺陷钝化与能级对齐，显著提升了单结与串联电池的光伏性能。该策略不仅在实验中被证明有效，还通过模拟与多种表征手段得到了系统验证。未来，将偶极钝化与更先进的稳定策略相结合，并深入探究器件降解机制，将是进一步提升全钙钛矿串联太阳能电池长期稳定性与效率的关键方向。该研究为高效、稳定、低成本的全钙钛矿叠层器件的发展提供了重要技术路径。