Nat. Commun. 上海交通大学韩礼元团队：突破高温瓶颈！低温序列沉积法反式PSC认证效率26.0%

2025-07-15 11:06:40 光焱科技股份有限公司

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研究背景与挑战

反式钙钛矿太阳能电池因其优越的稳定性与低迟滞现象，被视为极具商业潜力的新兴技术。目前采用单步骤沉积法制备的器件已实现超过26%的认证效率，但此方法常导致晶粒尺寸较小，限制了性能进一步提升。

两步骤序列沉积法理论上能获得晶粒尺寸更大、质量更高的钙钛矿薄膜，然而在反式器件中的应用却面临显著挑战，其认证效率约24%，远低于单步骤法。

核心技术瓶颈

效率滞后的根本原因在于序列沉积法需要150°C高温退火才能实现δ-相到α-相的完全相变，但高温对反式器件造成两个致命问题：

埋藏界面劣化：自组装单分子层在高温下脱附，导致非辐射复合显著增加
顶部界面缺陷：有机组分损失形成富含PbI₂的高缺陷表面，严重阻碍电荷传输

这些界面问题共同导致开路电压损失和载流子动力学恶化，严重制约器件整体性能。因此，开发无需高温退火即可实现完整相变的序列沉积方法，是当前领域需解决的关键难题。

研究团队与成果

研究由上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的韩礼元教授（Liyuan Han）和王言博教授（Yanbo Wang）教授领导，成果发表于Nature Communications。

针对传统序列沉积法需要150°C高温退火所引起的界面问题，研究团队开发了低温序列沉积法（LTSD）。其核心创新在于向碘化铅前驱物溶液中引入EMI-DMP添加剂，有效促进碘化铅与有机盐的充分反应，并显著降低δ-相到α-相钙钛矿的能量障碍，使相变温度降至110°C。

透过此低温方法，研究团队成功避免了埋藏SAMs损害和顶部过量PbI₂形成，制备出平均晶粒尺寸超过1.3微米的高质量α相钙钛矿薄膜。最终实现了1.21V的开路电压和26.0%的认证功率转换效率，创下目前基于序列沉积法制备含SAMs反式钙钛矿太阳能电池的最高效率纪录，同时展现出优异的长期稳定性。

实验方法与步骤

研究透过对比传统序列沉积法（对照组）与创新的低温序列沉积法（LTSD），验证了降低相变温度的有效性。

器件制备流程

实验以FTO玻璃为基底，依序制备NiO电洞传输层和Me-4PACz自组装单分子层（100°C退火固定）。

钙钛矿层制备对比

对照组（传统方法）：将PbI₂溶液旋涂于基底并70°C退火，随后旋涂FAI:MABr:MACl有机盐溶液，进行150°C高温退火完成相变
LTSD方法：关键创新在于向PbI₂前驱物溶液中添加EMI-DMP添加剂，采用相同沉积程序但将退火温度降至110°C

器件完成

钙钛矿层形成后，依序沉积PEACl钝化层、PCBM电子传输层、BCP缓冲层，最后热蒸镀90nm铜电极。完成的器件覆盖MgF₂抗反射涂层并用UV固化树脂封装。

理论机制解析

研究团队利用密度泛函理论计算分析EMI-DMP如何降低δ-相到α-相钙钛矿的能量障碍，从理论角度解释了低温相变的机制。

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)

QFLS直接反映了器件的最大开路电压潜力，而PLQY 则评估了光生载流子的非辐射复合损失。更高的QFLS 和 PLQY 通常意味着更低的非辐射复合，进而带来更高的 VOC。

LTSD钙钛矿/PCBM 堆栈的 PLQY 从对照组的 1.14% 显著增加到 9.08%。对应地，其 QFLS 从 1.17 eV 提升到 1.22 eV。这与 LTSD 器件更高的 VOC 测量结果一致。

图 4e：比较了对照组和 LTSD 结构的 PLQY 和 QFLS。清晰显示 LTSD 在两项指针上均有显著提升。

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太阳能电池性能评估：J-V曲线与外部量子效率EQE

J-V曲线用于评估太阳能电池的特性，包括功率转换效率(PCE)、开路电压 (VOC)、短路电流密度 (JSC) 和填充因子 (FF)。EQE 则测量电池将不同波长光子转换为电子的效率，并可验证 J-V 曲线中的 JSC 值。

LTSD方法制备的器件展现出显著优越的性能。在优化EMI-DMP 浓度（0.6 mg/mL）后，LTSD 器件在反向扫描下获得了 26.5%的 PCE，其中 VOC 为 1.21 V，JSC 为 26.5 mA cm⁻²，FF 为 82.8%。这与对照组器件的 24.5% PCE 形成鲜明对比23。LTSD 器件也表现出可忽略的迟滞现象。经独立实验室认证，LTSD器件的 PCE 达到 26.0% (FigS. 30)。此外，LTSD 器件的 EQE 积分电流密度（25.98 mA cm⁻²）与其 JSC 值高度一致。

图 4a：展示了对照组 (Control) 和 LTSD 器件在反向扫描下的 J-V 曲线。可见 LTSD 器件的曲线面积更大，代表更高的效率。

图 4d：呈现了对照组和 LTSD 器件的 EQE 光谱。LTSD 器件在可见光和近红外区的 EQE 数值更高，且积分电流密度与 J-V 测量结果一致。

稳定性测试 (Stability Tests)

评估太阳能电池在加速老化条件下的长期工作稳定性。

封装后的 LTSD 器件展现出卓越的稳定性。在 85°C/85% RH 的湿热环境下（ISOS-D-3 协议），经过 1000 小时老化后，LTSD 器件仍能保持其初始效率的 93.1%。在 65°C 下进行最大功率点追踪测试（ISOS-L-2 协议），LTSD 器件在 1000 小时后仍维持初始效率的 95.4%。相比之下，对照组器件在相同测试条件下迅速降解。

图 4g：展示了封装对照组和 LTSD 器件在 85°C/85% RH 湿热条件下的归一化 PCE 随时间的变化。LTSD 器件的效率衰减极为缓慢。

图 4h：显示了封装对照组和 LTSD 器件在 65°C 和 1 太阳光照下的最大功率点追踪结果。LTSD 器件的性能保持得非常出色。

缺陷密度评估：TAS 和 DLCP (热导纳光谱与驱动级电容分布)

热导纳光谱 (TAS) 用于分析器件中陷阱态的空间和能量分布，特别是深层陷阱。驱动级电容分布(DLCP) 则用于可视化陷阱密度在器件内的轴向空间分布。

LTSD器件的Mott-Schottky 分析显示出更高的内建电位 (Vbi)（1.20 V 对比对照组的 1.14 V），表明界面能量损失减少。TAS 测量表明 LTSD 器件的陷阱态密度 (tDOS) 显著降低，尤其是在深层陷阱区域。DLCP 结果进一步证实，LTSD 钙钛矿薄膜顶部和埋藏界面的陷阱密度均显著降低。

图 3e：显示了对照组和 LTSD 器件的能量相关陷阱态密度 (tDOS) 曲线。LTSD 器件的曲线明显低于对照组，尤其是在深层陷阱（高能量）区域。

图 3f：展示了对照组和 LTSD 器件的陷阱密度随探测距离的变化。LTSD 器件在薄膜两侧（顶部和埋藏界面）的陷阱密度均大幅降低。

其他表征

TOF-SIMS (飞行时间二次离子质谱)

分析薄膜中元素的深度分布以确定EMI-DMP位置。磷信号均匀分布在PbI₂薄膜中，钙钛矿结晶后主要位于埋藏界面。(图3b)

KPFM (开尔文探针力显微镜)

测量表面电位分布评估SAM完整性。Me-4PACz SAM在110°C退火后保持完整，但150°C退火后发生脱附，LTSD处理后表面电位分布更均匀。(图S6)

XPS (X射线光电子能谱)

分析表面元素组成和化学态探讨分子相互作用。EMI-DMP与Pb²⁺存在强烈相互作用，LTSD钙钛矿薄膜Pb 4f结合能向低能量偏移，表明PbI₂和Pb⁰缺陷减少。(图3a)

XRD/GIXRD (X射线绕射/掠入射X射线绕射)

分析薄膜晶体结构和相纯度。EMI-DMP使钙钛矿在110°C即可实现完全α相转变，制备出平均超过1.3微米的大晶粒薄膜。(图2b)

SEM (扫描电子显微镜)

观察薄膜表面形态和晶粒大小。LTSD制备的钙钛矿薄膜表面整洁，晶粒尺寸大且均匀，与对照组表面PbI₂薄片形成对比。(图2e)

AFM (原子力显微镜)

测量薄膜表面粗糙度。LTSD钙钛矿薄膜粗糙度从31.1 nm降低到26.2 nm，归因于表面多余PbI₂的消除。(图2f)

FTIR (傅立叶变换红外光谱)

分析EMI-DMP与PbI₂间分子相互作用。EMI-DMP加入后C–H和C=N伸缩振动峰向低波数移动，表明存在相互作用。(图1h)

UPS (紫外光电子能谱)

确定器件各层能级对准情况。LTSD钙钛矿与电子传输材料具有更好的能级对准，有利于电荷萃取。(图S16)

TPV/TPC (瞬态光电压与瞬态光电流)

测量电荷复合和萃取动力学。LTSD器件显示更慢的TPV衰减和更快的TPC衰减，表明非辐射复合减少且电荷传输改善。(图3g、3h)

UV-vis absorption (紫外-可见光吸收光谱)

监测薄膜光学稳定性。20天1太阳光照老化测试中，LTSD钙钛矿薄膜吸收光谱无明显变化，展现优异光稳定性。(图S24b)

Steady-state PL (稳态光致发光)

评估非辐射复合和薄膜整体质量。LTSD钙钛矿薄膜显示更高PL强度，表明非辐射复合受到抑制，老化期间光谱保持稳定。(图S22)

DFT Calculation (密度泛函理论计算)

从理论层面解释EMI-DMP对相变能量障碍的影响。计算显示δ相到α相钙钛矿的能量障碍从0.515 eV降低到0.429 eV。(图2c)

结论

研究团队开发了低温序列沉积法（LTSD），通过引入EMI-DMP添加剂成功解决了传统两步骤沉积法在高温退火下导致的SAM损坏和过量PbI₂残留问题，实现了高效能反式钙钛矿太阳能电池。

1.核心创新与机制

EMI-DMP添加剂与PbI₂骨架形成多孔复合物，促进有机盐渗透并充分反应，同时降低δ相到α相钙钛矿的能量势垒（从0.515 eV降至0.429 eV），使相变温度降至110°C，有效避免了埋藏界面SAM损坏和顶部界面过量PbI₂形成。

2.薄膜质量显著提升

LTSD方法制备的钙钛矿薄膜具有高度结晶的α相，平均晶粒尺寸超过1.3 μm，表面粗糙度从31.1 nm降至26.2 nm。TAS和DLCP测量显示陷阱态密度显著降低，特别是在深陷阱区域，有效抑制了非辐射载流子复合并加速了载流子提取。

3.光电性能突破

LTSD器件实现了1.21 V的开路电压和26.5%的冠军器件效率（反向扫描）。经中国科学院上海微系统与信息技术研究所独立认证，获得了26.0%的PCE，创下目前基于序列沉积法制造的含SAM反式钙钛矿太阳能电池的最高认证效率。器件迟滞效应可忽略（0.2%），效率再现性优异（25.6 ± 0.3%），大面积器件（1.02 cm²）效率达25.4%。