热烈祝贺武汉大学研究成果荣登顶刊《Nature》。很荣幸泰思肯TOF-SIMS双束电镜-飞行时间二次离子质谱联用方案能对本研究工作提供技术支持。通过这种先进的分析技术，研究团队研究团队能在微观层面深入理解材料特性，从而实现全钙钛矿串联太阳能电池性能的显著提升。了解更多电池开发解决方案，请访问：zh.info.tescan.com/batteries

以下文章来源于研之成理公众号

　　第一作者：Shun Zhou,Shiqiang Fu,Chen Wang

　　通讯作者：Guojia Fang，Weijun Ke

　　通讯单位：武汉大学

　　DOI：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z

　　研究背景

　　全钙钛矿串联太阳能电池有望超越单结太阳能电池的肖克利-奎塞尔(Shockley–Queisser)极限。然而，由于全钙钛矿串联电池中混合锡铅（Sn-Pb）窄带隙子电池的性能和稳定性不佳问题，目前这些电池的实际应用受到了阻碍。

　　研究问题

　　本研究将重点放在窄带隙子电池上，并为它们开发了一种一体化掺杂策略。本研究在聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)底层和钙钛矿层中引入盐酸天冬氨酸盐（AspCl），然后再进行一次AspCl后处理。本研究表明，单一的AspCl添加剂就能有效地钝化缺陷、减少Sn4+杂质并移动费米能级。此外，AspCl-Sn/Pb iodide和AspCl-AspCl的强分子键可以强化结构，从而提高锡铅钙钛矿的稳定性。最终，在掺入AspCl的锑铅钙钛矿太阳能电池中，单结电池的功率转换效率达到22.46%，串联电池的功率转换效率达到27.84%（27.62%已稳定，27.34%已认证），在充满N2的手套箱中储存2,000小时后，保留率达到95%。

　　图文解析

图1|NBG锡铅钙钛矿中AspCl的制备与机理

　　要点：

　　1.本研究将手性盐酸天冬氨酸（AspCl）分子掺入底部聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）PEDOT:PSS（PEDOT）、中间钙钛矿吸光层（Bulk）和顶部封顶层（POST）（图1a），从而开发出一种一体化的Sn-Pb PSCs掺杂方法。AspCl分子由三个功能分子组成（图1b）。Cl-阴离子可抑制碘空位的形成，氨基可与I-相互配合以减少捕获态并抑制碘离子的迁移，羧基可与铅和锡离子相互配合以抑制钙钛矿分解。

　　2.此外，两个AspCl分子中的氨基和羧基可以通过分子间氢键相互结合，形成钙钛矿体薄膜的主体以及钙钛矿体/底部空穴传输层（HTL）和钙钛矿体/顶部盖层的界面。因此，这种AspCl掺杂策略为钙钛矿创造了一个内部分子锁（图1c），可以有效地钝化表面缺陷并提高器件稳定性。

　　3.为了评估AspCl在锡铅钙钛矿器件中的有效性，本研究制作了单结锡铅PSC（图1d），并测试了它们在不同处理条件下的性能（图1e）。经过优化，PEDOT、Bulk和POST处理的AspCl浓度分别为4 mg ml-1、0.2 mg ml-1和1 mol%。结果表明，AspCl的加入能显著提高器件的性能。

图2| NBG Sn-Pb 钙钛矿薄膜的表征

　　要点：

　　1.本研究进行了一系列表征，以研究性能提升的因素。首先通过扫描电子显微镜(SEM)测量评估了薄膜的形态。如图2a,b所示，所有薄膜的晶粒尺寸相似，但晶界存在明显差异，原子力显微镜(AFM)测量也证实了这一点。对照薄膜在晶界处显示出明亮的颗粒，主要是由于PbI2含量过高。值得注意的是，薄膜前驱体中使用了硫氰酸铅来增大钙钛矿晶粒，这也是导致晶界出现过量PbI2的原因之一。然而，其他三个样品都没有显示出过量的PbI2，这对提高器件性能是有益的，因为如果钙钛矿薄膜中没有过量的PbI2，就会减少滞后行为，提高器件稳定性。

　　2.为了进一步研究薄膜的晶体质量，本研究进行了X射线衍射（XRD）测量。如图2c所示，所有XRD图谱都显示出相似的特征峰和峰位，表明AspCl没有改变晶体结构。与扫描电镜结果一致，只有对照样品在12.7°处出现了一个额外的峰值，与PbI2的(001)峰值相对应。因此，引入AspCl可减轻钙钛矿薄膜中PbI2的过剩存在。

　　3.紫外-可见（UV-vis）吸收光谱显示，与对照样品相比，含有AspCl的钙钛矿薄膜的吸收能力略强。这种增强主要归因于AspCl的引入改善了薄膜的质量。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）结果表明，虽然O-和Cl-分布在整个钙钛矿薄膜中（图2d、e），但它们主要集中在顶部和底部界面，这是因为AspCl-SnI2/PbI2和AspCl-AspCl的键合很强，这一点已通过DFT计算得到证实。对器件进行的偏置和光浸泡稳定性测试证实了AspCl阻止离子迁移的能力。

图3| 单结 NBG 锡铅 PSC 的性能

　　要点：

　　1.根据上述结果，所得太阳能电池的性能得到了提高。图3a展示了采用控制和目标钙钛矿体薄膜的器件的横截面SEM图像，显示了相似的形态。图3b比较了性能最佳的对照器件和目标器件的J-V曲线。根据反向（正向）电压扫描测量，最佳控制PSC的J-V曲线得出的Jsc、Voc、填充因子(FF)和功率转换效率(PCE)分别为30.99(29.58)mA cm-2、0.81(0.81)V、72.35(65.69)%和18.20(15.74)%。相比之下，最佳目标PSC的Jsc、Voc、FF和PCE值均有显著改善，分别为31.69(31.77)mA cm-2、0.89(0.88)V、79.90(77.96)%和22.46(21.80)%。一家独立实验室也认证了21.72%的超高PCE。根据对照电池和目标电池的外部量子效率(EQE)曲线得出的综合Jsc值分别为30.47 mA cm-2和31.51 mA cm-2（图3c），与根据J-V曲线得出的Jsc值一致（图3b）。

　　2.相应的控制器件和目标器件在最大功率点的稳态输出（SPO）效率分别为15.91%和22.14%（图3d），这也与J-V曲线（图3b）确定的数值一致。除了效率，AspCl修饰还提高了太阳能电池的稳定性。图3e所示的器件在恒定1太阳光照下的最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试表明，在55℃、充满氮气的手套箱中工作100小时后，未封装的目标器件保持了80%的初始效率。相比之下，对照器件在相同条件下只运行了30小时就保持了80%的原始效率。

　　3.图3f显示了封装并储存在充满N2的手套箱中的装置的储存稳定性。在室温下存放2,000小时后，目标样品的PCE下降到原始值的92%，而对照器件的PCE在相同条件下仅存放750小时后就已下降到原始值的80%。这些结果表明，添加AspCl能显著提高锡铅PSC的效率和稳定性。

图4| 2T 全长晶串联太阳能电池的性能

　　要点：

　　1.本研究使用NBG Sn-Pb PSCs作为底部子电池，WBG（FA0.8Cs0.2PbI1.8Br1.2）PSCs作为顶部子电池，制作了单片两端（2T）全钙钛矿串联太阳能电池（图4a,b）。最终，在反向（正向）电压扫描下测量（图4c），本研究的性能最好的串联器件显示出16.02(16.06)mA cm-2的高Jsc、2.11(2.12)V的Voc、82.20(78.47)%的FF和27.84(26.75)%的PCE，以及27.62%的SPO效率（图4d）。一家独立实验室也证明，反向和正向电压扫描的效率分别为27.34%和27.12%。底部NBG和顶部WBG子电池的Jsc值由EQE光谱综合得出（图4e），与J-V测量和认证结果得出的Jsc值一致。

总结与展望

　　本研究设计的钙钛矿太阳能电池具有的长期运行稳定性和货架储存稳定性。在55℃、1个太阳持续照射380小时后，未封装串联器件的PCE保持了原始PCE的80%。此外，经过封装的串联器件在室温下的氮气环境中存放2,000小时后，其PCE仍保持了初始PCE的95%，这表明该器件具有在未来生产高效率、高稳定性串联太阳能电池的潜力。

　　在这一里程碑式的研究成果中，可以看到泰思肯TOF-SIMS技术在材料科学研究中的关键作用。随着这一技术的不断进步和应用，泰思肯将继续为实现清洁能源的广泛应用提供坚实的技术支撑。再次祝贺武汉大学的卓越成就，并期待他们在未来的科研道路上继续引领创新。

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