Nature Photonics：穩定鈣鈦礦探測器持續進展

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之一。近年來，基于寬帶隙與窄帶隙錫鉛鈣鈦礦的子電池發展迅速，疊層電池認證效率已突破30%，超過單結鈣鈦礦電池。然而，在商業化關鍵的光?熱復合應力條件下（ISOS-L-3），其穩定性仍遠未達標。根本原因在于錫鉛鈣鈦礦表面具有高反應性，易形成缺陷與氧化產物（如SnI?），即使采用有機分子鈍化策略，仍難以抑制其在光熱應力下的組分揮發、氧化和降解。因此，開發一種既能保持高效率又能實現光熱穩定表面的方法，是全鈣鈦礦疊層電池走向商業化亟待解決的核心問題。

近日，華東師范大學方俊鋒教授、付圣研究員及瑞典林雪平大學高峰教授、蘇州大學王長擂教授等研究者提出一種與傳統分子鈍化不同的靶向轉化策略，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?和缺陷表面轉化為堅固的金屬氧化物保護層，同時以Cs?取代易揮發的有機陽離子。該處理顯著提升了薄膜與器件的光熱穩定性與光電性能。窄帶隙錫鉛單結電池冠軍效率達23.65%，基于此構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，遠優于傳統胺類鈍化器件。該研究為實現高效、光熱穩定的全鈣鈦礦疊層電池提供了可行路徑。

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

圖文解析

圖1 不同表面結構對錫鉛鈣鈦礦薄膜光熱穩定性的影響

圖1展示了不同表面結構對錫鉛鈣鈦礦薄膜光熱穩定性的影響。作者通過密度泛函理論模擬比較了傳統胺類終端與無機Cs/SnO?終端結構的分解能壘，發現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，發現CsOH處理能有效抑制NH?與I?的釋放，并保持Sn??比例基本不變，表面電位與光致發光強度也最為穩定。這些結果表明，CsOH處理形成的表面結構具有優越的抗光熱降解能力。

圖2 針對Sn-Pb表面的魯棒轉換

圖2呈現了CsOH處理在錫鉛鈣鈦礦表面誘導的靶向堅固轉化過程示意圖及相關表征。示意圖說明OH?與SnI?及亞穩表面反應生成金屬氫氧化物，隨后退火轉化為穩定的金屬氧化物層，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約10 nm的過渡區，能譜成像證實該區域富含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。掃描電鏡與導電原子力顯微鏡顯示處理后的薄膜表面形貌重構、粗糙度降低，表面電導率下降，表明缺陷表面轉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，提供更穩固的表面鈍化。瞬態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，并表現出更低的遲滯效應與更好的重復性。

圖4 全鈣鈦礦串聯太陽能電池的光伏性能與穩定性

圖4展示了全鈣鈦礦串聯太陽能電池的光伏性能與穩定性。通過堆疊經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曲線結果吻合，器件效率分布統計顯示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，穩定性顯著優于傳統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表面處理實現靶向堅固轉化的新策略，顯著提升了全鈣鈦礦疊層電池在ISOS-L-3條件下的耐久性。不同于傳統分子鈍化，強堿性CsOH可將有害的SnI?和缺陷表面轉化為穩定的金屬氧化物覆蓋層，同時OH?驅動揮發性有機陽離子脫離A位，經退火后形成熱穩定的Cs終端。該處理不僅提高了錫鉛薄膜的光熱穩定性，也優化了其光電特性，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，性能遠超傳統分子鈍化體系。該工作為發展高效、光熱穩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

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