科研人员攻克全钙钛矿叠层电池核心难题

近日，中国科学院院士、中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所研究员成会明、深圳理工大学材料科学与能源工程学院副教授白杨联合英国萨里大学教授张伟，在《科学进展》上发表最新研究成果。

研究团队创新性提出硫醚配位调控策略，从结晶动力学根源上解决了窄带隙锡铅钙钛矿组分不均与锡离子（Sn2+）易氧化的核心难题。基于该策略制备的全钙钛矿叠层太阳能电池实验室效率达29.44%，第三方认证效率28.84%，器件运行稳定性较传统器件提升3倍以上，为全钙钛矿叠层光伏技术商业化应用提供了关键支撑。

窄带隙锡铅钙钛矿是全钙钛矿叠层电池的“底电池”核心材料，但它存在材料组分分布和容易氧化变质不均两大短板。过去行业里的解决办法都属于“事后补救”，要么额外加抗氧化物质，要么在材料表面做钝化涂层，治标不治本，没法从根源解决结晶不均、易氧化的问题。

本次研究中，研究人员指出，该问题的核心根源在于结晶初期的动力学失衡。

Sn2+具有更强的路易斯酸性和更低的溶解度，其成核速率远快于铅离子（Pb2+），导致薄膜“先天”组分不均。基于这一发现，团队设计了含硫醚基团的多功能配体S-烯丙基-L-半胱氨酸（SALC），实现对结晶过程的“主动调控”，实现了锡/铅钙钛矿生长同步，锡/铅空间均匀分布，同时抑制Sn2+氧化并减少内部缺陷，同时解决了“结晶速率不一致”“成分不均”和“材料易氧化”三大难题。

验证实验表明，以SALC为空穴传输层制备的窄带隙锡铅单结钙钛矿太阳能电池获得22.99%光电转换效率，处于同类器件领先水平。当集成至全钙钛矿叠层太阳能电池后，叠层器件实现29.44%的实验室效率（认证效率28.84%，稳定输出28.46%），认证开路电压2.169伏特，短路电流16.25毫安/平方厘米，填充因子81.97%，在同类型钙钛矿叠层电池里属于顶尖水准。

在稳定性方面，研究团队将改良后的未封装窄带隙单结器件，在氮气避光环境中存放近4800小时后，还保留88%初始效率，普通电池只剩66%；改良后未封装叠层器件存放3720小时仍保有92%效率，对照组仅77%。此外，在一个太阳光强持续照射下运行420小时后，封装叠层器件依旧保持近90%发电效率；普通电池仅156小时发电量则跌到60.93%。

该研究不仅通过分子配位设计实现了锡铅钙钛矿的均一成核和锡氧化抑制，更系统阐明了“配位调控结晶—组分均匀化—缺陷抑制—稳定性提升”的协同作用机制，给钙钛矿电池研发提供全新通用模板。

SALC的多功能基团设计和普适性配位策略，有望推广至其他钙钛矿组分和器件体系，为下一代高效稳定钙钛矿叠层光伏技术提供了全新的材料设计范式。