研究背景
钙钛矿叠层太阳能电池在效率提升过程中，「埋藏接口」质量已成为关键的技术制约因素。本研究深入探讨钙钛矿子电池埋藏接口的技术瓶颈，致力于解决影响叠层电池光电转换效率与长期稳定性的核心问题。
• 结构缺陷与化学反应：在钙钛矿子电池的埋藏接口处，存在着有害的结构缺陷和化学反应，这些缺陷会导致显著的非辐射电荷载流子复合和有害的化学反应。
• PEDOT:PSS 层带来的挑战：目前广泛使用的空穴传输层 (HTL) PEDOT:PSS，其酸性和吸湿性会引发不利的氧化反应，严重恶化钙钛矿材料及其器件在高温和光照下的操作稳定性。
•奈米空隙与结晶缺陷：由于 PEDOT:PSS 层可能存在的空间异质性，以及锡铅钙钛矿的快速生长，导致埋藏接口处产生高密度的形态奈米空隙、结晶缺陷、不利的应变和较差的结晶度。尤其是在平滑的基板上，容易形成肉眼可见的「白斑」。
• 埋藏接口的研究挑战：相较于顶层界面，钙钛矿层的埋藏界面在器件中相对难以接近且研究较少。
研究团队及研究重点
这项研究由华中科技大学武汉光电国家研究中心的陈炜和刘宗豪，及英国牛津大学Henry J. Snaith教授领导，发布在顶刊《Nature communications》。主要透过设计一种巯基功能化介孔二氧化硅层（MSN-SH）作为钙钛矿薄膜埋藏界面的超结构，来解决串联光伏器件中子电池埋藏界面存在的有害结构缺陷和化学反应问题。这种方法旨在调控钙钛矿的结晶过程、消除奈米孔洞、钝化缺陷，并抑制锡铅钙钛矿薄膜中 Sn(II) 的氧化，从而显著减少载流子损耗并提高器件的稳定性。
关键研究成果
Fig4c
1. 接口优化技术突破 MSN-SH层通过多重机制实现接口改善：显著提升钙钛矿前驱体润湿性，有效消除奈米空隙与成膜缺陷；大幅释放薄膜残余应变（从72.2 MPa降至4.6 MPa）并提升结晶度；利用硫醇基团钝化缺陷、抑制Sn(II)氧化，并将离子迁移能障从0.29 eV提升至0.58 eV；同时将接口黏附强度从0.26 MPa增强至0.67 MPa。
2. 效率性能突破 窄带隙锡铅钙钛矿单结电池达成23.7%最佳效率（平均23.1%），开路电压0.89 V；全钙钛矿叠层电池实现29.6%最佳效率，认证效率29.5%，稳态效率28.7%，创下单片两端叠层电池性能新高；11.3 cm2叠层迷你模块效率达24.7%，展现优异的放大潜力。
3. 稳定性大幅提升 NBG单结电池在85°C暗氮气环境老化164小时后保持85%初始效率；封装叠层电池在1太阳光照下MPPT测试445小时后维持90%效率；叠层器件在85°C老化150小时后仍保有82%初始性能。
4. 技术普适性验证 MSN-SH处理策略同样适用于铅基宽带隙钙钛矿，使1.77 eV电池效率达20.6%，并有效抑制混合卤化物钙钛矿的光诱导卤化物偏析现象。
实验步骤与过程
Fig1a
本研究核心策略为在钙钛矿埋藏接口处引入巯基功能化介孔二氧化硅层（MSN-SH）作为接口改质层，透过系统性的组件制备与性能对比验证其效果。
单结电池制备流程： 标准制程包括ITO/玻璃基板清洗、空穴传输层（PEDOT:PSS或Me-4PACz）旋涂、关键的MSN-SH分散液旋涂与退火处理，接续钙钛矿前驱体溶液沉积与热退火、表面钝化层（EDAI2或PDAI2）处理，最后热蒸镀电子传输层（C60、BCP）与银电极。
叠层电池制备： 采用分层构建策略，先完成宽带隙子电池制备，再透过原子层沉积技术构建SnOx/Au重组接面，最后依序沉积窄带隙子电池各功能层，形成完整的两端叠层结构。
模块化验证： 在大面积基板上进行雷射刻划制程，形成多个串联子电池单元，并完成互连与封装，验证技术的产业化潜力。
对比验证方法： 系统性比较引入与未引入MSN-SH层的组件在光电转换效率、稳定性与接口特性方面的差异，量化评估改质效果。
表征方法与结果
准费米能级分裂 (QFLS) 与光致发光量子效率 (PLQY)
评估钙钛矿薄膜开路电压潜力与非辐射复合损失程度，基于PLQY结果计算QFLS值。
MSN-SH处理有效降低PEDOT:PSS层界面损失并大幅改善薄膜光电性质。PEDOT:PSS/MSN-SH/钙钛矿堆栈的PLQY从对照组的0.885%显著提升至5.586%，对应QFLS值从0.856 eV增加到0.903 eV，展现出优异的电压潜力提升效果。
Fig. 3f 透过比较实际电压与理论电压潜力，量化了 MSN-SH 接口改良在提升钙钛矿太阳能电池开路电压上的效果
FigS. 30a, 30b分别展示不同堆栈结构的PLQY与QFLS数据比较。MSN-SH样品在两项指标上均明显优于对照组与MSN样品，证实其在抑制非辐射复合与提升开路电压潜力方面的显著效果。
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电流-电压 (J-V) 特性与光电转换效率测试
评估器件基本电学性能、光电转换效率与迟滞现象。
MSN-SH处理在各类型电池上均实现显著性能提升：
窄带隙 (NBG) 锡铅钙钛矿单结电池：，MSN-SH修饰器件平均PCE达23.10%，较对照组的19.64%大幅提升。最佳器件实现23.74% PCE (VOC 0.887 V, JSC 32.77 mA cm-2, FF 81.67%)，且迟滞现象几乎可忽略。
宽带隙 (WBG) 钙钛矿单结电池：展现良好普适性，1.77 eV器件PCE高达20.60% (VOC 1.330 V, JSC 18.29 mA cm-2, FF 84.69%)，第三方认证效率为20.27%。
全钙钛矿叠层器件：受益于双子电池同步优化，平均PCE达29.16%，最佳器件实现29.63% PCE (VOC 2.176 V, JSC 16.33 mA cm-2, FF 83.38%)。经SIMIT第三方认证PCE为29.50%，稳态效率28.7%。
Fig. 3c, Fig. 4c及FigS. 37分别展示单结与叠层器件的J-V特性，均显示极低迟滞与优异的光电性能表现。
外部量子效率 (EQE) 测试
评估器件在不同波长下的光电转换效率并计算集成短路电流密度。使用Enlitech QE-R量子效率测量系统在环境空气中进行测试，叠层器件测量时分别以850 nm与460 nm高亮度LED对WBG与NBG子电池进行偏压。
MSN-SH处理有效提升器件量子效率表现。NBG锡铅钙钛矿单结电池的EQE光谱在整个波长范围内均有改善，特别是长波长区域响应增强，集成JSC从对照组的31.42 mA cm-2提升至32.35 mA cm-2。
全钙钛矿叠层器件展现良好的光谱匹配特性，WBG子电池集成JSC为16.26 mA cm-2，NBG子电池为16.02 mA cm-2，两者电流密度高度匹配且光谱响应区间互补，为实现高效率叠层结构奠定基础。
Fig. 3d与Fig. 4d分别展示单结与叠层器件的EQE光谱比较，清楚呈现MSN-SH处理在提升光收集与电荷提取效率方面的显著效果。
电致发光外部量子效率 (EQEEL)
量化器件非辐射复合损失程度，与VOC性能密切相关。使用Enlitech ELCT-3010(REPS)系统进行测量，注入电流密度设定接近太阳光照下的短路电流密度。
MSN-SH处理对器件EQEEL产生显著改善效果。在接近JSC的电流注入条件下，器件EQEEL值从对照组的0.20%大幅提升至2.61%，增幅达13倍。此显著提升直接证实MSN-SH有效抑制器件内非辐射复合过程。
对应的非辐射复合损失减少约70 mV，与器件VOC实际改善幅度高度吻合，验证了EQEEL测试结果的可靠性与MSN-SH接口改质策略的有效性。
Fig. 3e展示对照组与MSN-SH器件的EQEEL-电流密度关系比较，MSN-SH器件在整个电流范围内均展现明显优势，特别是在低电流密度区域的表现更为突出。
开路电压 (VOC) 损耗分析
基于详细平衡理论量化VOC损失组件，包括非理想EQE损失、次带隙辐射复合损失与非辐射复合损失，精确定位器件电压偏离理论极限的原因。分析采用实测的VOC、EQEEL等关键参数作为计算输入。
MSN-SH处理显著降低器件总VOC损失。其中最关键的改善来自非辐射复合损失的大幅减少，从对照组的160 mV降至MSN-SH样品的94 mV，减幅达41%。这一结果与器件实际VOC提升高度吻合，证实MSN-SH在抑制非辐射复合方面的关键作用。
FigS. 29a详细比较对照组与MSN-SH NBG电池的各项VOC损失组件，清楚展现MSN-SH器件在非辐射复合损失减少方面的显著优势。
瞬态光电流 (TPC) 与瞬态光电压 (TPV)
探究器件内电荷载流子提取与复合动力学，评估接口修饰对电荷传输路径的影响。
MSN-SH处理同步改善电荷提取与抑制复合过程。器件电流衰减寿命从对照组的3.86 µs缩短至2.37 µs，证明电荷载流子提取速度加快；电压衰减寿命从149 µs延长至626 µs，反映电荷复合被有效抑制。
FigS. 26a, 26b分别展示TPC与TPV衰减曲线比较，MSN-SH器件在TPC测试中衰减更快，TPV测试中衰减更慢，清楚验证埋藏接口修饰在促进电荷提取与抑制接口复合方面的双重效果。
操作稳定性 (MPPT) 测试
评估器件在连续光照最大功率点偏置下的长期运行稳定性。
MSN-SH处理显著提升器件长期稳定性。未封装NBG单结电池连续操作450小时后保持93%初始效率，远优于对照组370小时后的68%。封装全钙钛矿叠层器件在430小时连续操作后维持90%以上效率，大幅超越对照组325小时后的75%表现。
Fig. 3h, Fig. 4f分别展示单结与叠层器件的MPPT稳定性曲线，MSN-SH器件在两种配置下均展现长期操作稳定性，证实其在实际应用中的优异潜力。
其他表征
分散液储存稳定性测试 评估纳米粒子分散液在储存过程中的稳定性，影响器件制备的加工窗口。MSN-SH分散液在48小时后无沉降现象，大幅优于Al2O3的1小时沉淀。（FigS. 8）
纳米粒子特性表征 全面分析MSN与MSN-SH的物理尺寸、孔隙结构及功能化成功性。MSN-SH粒径减至100 nm，FTIR与Raman光谱在2569与2563 cm-1处确认巯基成功接枝。（FigS. 10a）
润湿性与成核测试 研究MSN-SH对钙钛矿前驱体溶液润湿行为的影响。接触角从22.6°降至12.7°，显著改善润湿性并促进异质成核。（FigS. 11）
薄膜形态SEM观察钙钛矿薄膜表面及埋藏界面形貌，判断纳米空洞存在。MSN-SH基薄膜呈现致密结晶区域且无纳米空洞，与对照组圆顶状空洞形成对比。（Fig. 1c）
结晶度GIWAXS分析 评估钙钛矿薄膜在埋藏接口附近的结晶度。MSN-SH基薄膜在各入射角下均显示更强衍射强度，结晶度更高且非晶相程度更低。（Fig. 1d）
残余应变GIXRD测试 评估钙钛矿薄膜中的残余应力状态。MSN-SH有效将拉伸应力从72.2 MPa降至4.6 MPa，大幅释放薄膜应变。（Fig. 1h）
机械强度测试 验证MSN-SH对埋藏接口机械耐久性的增强效果。临界拉伸强度从0.26 MPa提升至0.67 MPa，比断裂能从25增至83 kJ m-3。（Fig. 1g）
接口稳定性综合分析 透过DFT计算、温度依赖电导率、UV-Vis及XPS深入探讨稳定性机制。离子迁移活化能从0.29 eV提升至0.58 eV，Sn(IV)含量显著降低，有效抑制降解。（Fig. 2b）
卤化物偏析时间依赖PL测试 评估混合卤化物钙钛矿在长时间光照下的相偏析现象。MSN-SH修饰薄膜在曝光期间PL形状保持良好，有效抑制卤化物偏析。（FigS. 38c）
结论
该研究成功开发巯基功能化介孔二氧化硅层（MSN-SH）作为钙钛矿电池埋藏接口的超结构改质层，实现钙钛矿叠层太阳能电池效率与稳定性的显著提升。
核心技术突破：
接口质量优化方面，MSN-SH有效调节钙钛矿结晶过程、消除奈米空隙并钝化缺陷，同时抑制Sn(II)氧化，大幅减少载流子损失。机械强度从0.26 MPa提升至0.67 MPa，残余拉伸应力从72.2 MPa降至4.6 MPa，离子迁移活化能从0.29 eV提高至0.58 eV。
器件性能表现方面，锡铅钙钛矿单结电池效率达23.7%，全钙钛矿叠层电池实现29.6%效率（认证29.5%，稳态28.7%），位居单片两端叠层电池性能前列。11.3 cm2叠层迷你模块效率达24.7%，展现优异产业化潜力。
长期稳定性方面，封装叠层电池在1太阳光照MPPT测试445小时后维持90%以上初始效率，85°C热老化150小时后仍保持82%性能，远超对照组表现。
技术普适性获得验证，MSN-SH策略同样适用于铅基宽带隙钙钛矿，1.77 eV电池效率达20.6%，并有效抑制混合卤化物偏析现象。
文献参考自nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59891-z
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