杨德仁院士领衔！浙江大学，最新Nature Photonics！

给钙钛矿电池装上“纳米缓存器”，破解长期稳定性难题！

过去十年，钙钛矿太阳能电池的效率提升速度令人震撼，实验室认证效率已逼近甚至追平晶硅电池。然而，真正挡在产业化门口的，并不是“能不能更高效”，而是“能不能用得久”。在真实工作条件下，钙钛矿电池往往只能维持数百小时高效运行，随后性能迅速衰减。大量研究表明，这种退化并非材料本身“脆弱”，而是源自界面处长期累积的电荷，引发缺陷不断演化，最终形成一个自我加速的失效循环。如何在不牺牲效率的前提下，长期抑制这种“电荷—缺陷—退化”的恶性反馈，成为钙钛矿走向应用的核心挑战。

在此，浙江大学杨德仁院士、余学功教授、王勇教授联合华能集团清洁能源技术研究院赵东明博士提出了一种全新的界面设计思路：在钙钛矿与载流子传输层之间，引入非晶–晶体核壳结构的氮化硅纳米颗粒，构建“载流子纳米缓存器”。其中，非晶外壳负责温和钝化界面缺陷，晶体内核则像“记忆芯片”一样，主动捕获并储存运行过程中不断积累的电荷，从源头切断缺陷演化的驱动力。基于这一策略，器件效率提升至26.65%，而面积达1252 cm²的大尺寸组件在户外连续运行6个月后几乎无功率衰减，为钙钛矿稳定性提供了全新的解决范式。相关成果以“Silicon nitride nanocomposites at the buried interface for stable perovskite solar cells”为题发表在《Nature Photonics》上，Biao Li, Xingtao Wang为共同第一作者。

研究的第一步，是构建这个“能存电”的界面结构。团队制备了一种尺寸约30–50 nm的核壳型氮化硅纳米颗粒，其内核为晶态α-Si₃N₄，外层包覆一层厚度约1.5 nm的非晶氮化硅（图1a）。透射电镜清晰显示了这种“晶核+非晶壳”的层级结构。进一步的电子自旋共振结果揭示了关键差异：晶体内核中存在大量“悬挂键”型缺陷，而非晶外壳的缺陷密度却低了三个数量级（图1b）。这种天然的“分工”，为后续功能埋下伏笔。

当这些纳米颗粒被引入钙钛矿电池的埋藏界面后，它们并不会形成连续膜层，而是以离散方式分布在电极表面（图1c）。开尔文探针测试显示，加入核壳氮化硅后，界面功函数显著提高，有利于电荷向外抽取。更重要的是，通过类MOS结构的电容–电压测试可以看到，晶态内核会在持续电荷注入过程中不断捕获电子，使平带电压发生明显变化（图1d）。这说明，这些纳米颗粒并非被动“填坑”，而是在器件工作时持续参与电荷调控，真正扮演了“纳米缓存器”的角色。

图1：核壳型氮化硅纳米颗粒的结构设计与界面电学特性

在此基础上，研究进一步探究了这种界面对载流子动力学的影响。电子束诱导电流成像显示，引入纳米缓存器后，器件内部的载流子收集信号明显增强，尤其是在钙钛矿与界面层附近区域（图2a）。沿厚度方向的线扫描结果也表明，电荷更容易被快速抽取，而不是滞留在界面处形成积累（图2b）。这种变化直接反映在内建电势上：随着器件运行时间增加，含氮化硅界面的电池内建电势持续提高，而对照组几乎保持不变（图2c），说明被“缓存”的电荷反而增强了内部电场。电容瞬态测试则从另一个角度印证了这一点。光照移除后，普通器件的电容无法回到初始值，意味着仍有电荷滞留在界面；而引入纳米缓存器的器件，电容反而稳定在更低水平（图2d）。这表明，电荷被有效捕获并从“危险区域”中移走，从而避免了长期堆积。

图2：载流子纳米缓存器对电荷传输与积累的影响

真正的考验来自长时间光照下的缺陷演化。通过热导纳谱和深能级分析，研究发现，对照器件在光照老化过程中会逐渐生成新的缺陷能级，并从界面向体相扩散（图3a、3b）。而在引入核壳氮化硅后，这一缺陷演化过程被显著抑制。剥离后的埋藏界面形貌也给出了直观证据：对照器件出现大量腐蚀坑，而改性器件表面依然完整平整（图3c）。对应的发光成像显示，缺陷诱导的非辐射复合在改性器件中明显减弱（图3d）。从机理示意图可以看出，正是“电荷缓存—电场增强—缺陷钝化”的协同作用，打断了原本不断自我放大的退化循环（图3f）。

图3：长时间光照下的缺陷演化行为

最终，这种界面设计转化为实实在在的性能与稳定性提升。小面积电池在最大功率点连续运行3000小时后，仍能保持初始效率的95%，而对照组仅剩约一半（图4a）。更具说服力的是户外实证：研究团队将面积超过1200 cm²的大尺寸组件部署在北京屋顶，经历春夏季高辐照环境，连续运行6个月后，改性组件的输出功率几乎没有衰减，而未改性的组件则下降至初始值的约67%（图4b–d）。这一步，真正跨越了实验室与真实环境之间的鸿沟。

图4：器件与组件的长期稳定性测试结果

小结

这项工作提出的并非又一种钝化分子或界面修饰剂，而是一种全新的稳定性设计逻辑：通过在界面引入“可存储电荷的功能单元”，主动管理载流子行为，从源头抑制缺陷演化。核壳氮化硅纳米缓存器将非晶钝化与晶体电荷捕获合二为一，使效率提升与长期稳定性首次实现真正协同。随着钙钛矿组件不断放大、应用场景不断走向户外，这种“电荷管理型界面”有望成为下一代高稳定钙钛矿器件的关键基础模块。