《Nature Photonics》北大深圳研究院杨世和：气相钝化全印刷碳基模块效率达20.41% 运行稳定性超1,020h

研究背景与技术挑战

钙钛矿太阳电池（PSCs）具有高功率转换效率（PCE）和可溶液制程优势，小面积器件效率已超过27%，但大面积组件（PSMs，面积大于200 cm²）的稳定性仍是关键挑战。传统高效器件依赖昂贵的贵金属电极，但钙钛矿中卤素会使其离子化降解。

碳电极成本低、稳定性好，与印刷工艺兼容，是全印刷碳基PSMs的理想选择。然而C-PSMs效率（超过18%）仍落后于金属电极器件，主要因为全印刷工艺与高效空穴传输材料（如Spiro-OMeTAD或PTAA）不兼容，导致界面载流子提取效率低，引发电荷积累和严重的非辐射复合。

此项研究由北京大学深圳研究生院的杨世和教授、北京理工大学的白阳教授以及北航大学的陈海宁教授共同领导，成果发表于国际顶级期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）。

为解决非辐射复合问题并提升载流子提取效率，该团队开发了一种可规模化的气相后处理策略。研究采用小分子量、低沸点的液态氟苯硫酚分子（2FP、3FP、4FP）进行气相钝化。这些分子的硫醇基（-SH）预期与钙钛矿表面未配位的Pb²⁺离子强烈配位，而氟原子和芳香族部分则可提高防潮性。

实验结果显示，此策略显着提升了组件性能，并同时保持了高稳定性。基于优化化学分子4FP的全印刷C-PSM（有效面积约50 cm²）实现了20.41%的PCE（经认证19.26%）。在65°C、1-sun连续最大功率点跟踪（MPPT）下，组件运行1,020 h后PCE衰减可忽略不计。未封装的C-PSMs在湿热测试（85°C、85% RH）2,280 h后，仍保持初始PCE的84%以上。（图4e）

J-V/VOC/EQE 电学与光电表征分析

C-PSMs采用ITO/SnO₂/Perovskite/P3HT/Carbon结构。所有功能层均在10 cm × 10 cm的ITO基板上通过刮刀涂布在环境大气中完成沉积，组件包含12个子电池串联，有效面积50 cm²。在气相后处理之前，团队首先将碳纳米管（CNTs）掺入P3HT空穴传输层（HTL）中，形成电荷传输网络，将PCE从15.00%提升至16.60%。（图1a.c.d.e）

冠军4FP处理的C-PSM表现出优异性能（图4e）：VOC = 14.25 V，ISC = 94.62 mA，FF = 75.68%；PCE达到20.41%。

由于4FP气相处理有效钝化了缺陷，器件的I-V曲线迟滞现象明显减轻。冠军组件的稳态最大功率点输出（MPP）约为19.80%（图4f），与I-V曲线得出的PCE值吻合，证明了数据的可靠性。

PCE的提升主要归因于VOC和FF的改善。气相处理通过均匀钝化钙钛矿层、降低缺陷密度、优化能级对齐和促进电荷转移，实现了性能提升。

对载流子动力学的分析印证了缺陷钝化：

• 暗电流分析（Dark J-V）： CNT掺杂的P3HT HTL器件在暗态下显示出较低的漏电流和较小的V₁-V₂电压范围（与界面相互作用改善和空穴提取增强相关），并且在高电压区（V > V₃）具有更高的电流密度，表明串联电阻Rs降低。（图1h）

• 非辐射复合抑制： 时间分辨光致发光光谱（TRPL）（图3e）显示，4FP处理的薄膜平均载流子寿命（τavg）显着延长至389 ns，远高于原始薄膜的140 ns，证实缺陷密度降低和复合损失受到抑制。瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测量进一步表明，所有气相处理器件均表现出更长的电荷寿命和更短的电荷传输时间。（图S36a.b）

• 缺陷密度量化： 空间电荷限制电流（SCLC）分析显示，陷阱填充极限电压（VTFL）从原始薄膜的0.83 V降至4FP薄膜的0.40 V，对应陷阱密度（nt）从4.59 ×     10¹⁶ cm⁻³降至2.21 × 10¹⁶ cm⁻³。其中4FP钝化效果优异。（图S35）

EQE光谱与吸收/载流子收集效率： ISC值（94.62 mA）的可靠性与稳态输出功率的一致性，证明了载流子收集效率与JSC校准的准确性。（图4e.f）

研究使用Enlitech的SPCM-1000激光扫描共焦光致发光显微镜系统，进行PL强度图谱（PL mapping）测量。激发波长为450 nm，光斑直径500 nm。

表征简介与结果： PL强度图谱（图3d）用于直观呈现钙钛矿薄膜表面的发光均匀性和缺陷分布。结果显示，经气相处理后的薄膜，其PL强度较原始薄膜增加了近两倍。

在光电物理意涵上，稳态PL强度的增加直接反映了非辐射复合途径的有效抑制，即提高了薄膜的内部量子效率。PL图谱也被用于评估薄膜在热老化（85°C，100 h）下的相稳定性。相较于原始薄膜在老化后PL峰位分布显着拓宽，气相处理的薄膜表现出抑制的峰位漂移，表明分子钝化增强了薄膜的热稳定性。Enlitech SPCM-1000系统提供的空间分辨PL数据，证明了气相处理策略不仅提高了效率，也显着改善了薄膜均匀性与稳定性，特别是4FP处理展现出优异的表现。（图3g）

结论与研究成果

• 效率突破： C-PSMs的PCE达到20.41%（认证19.26%），是目前已报道的同等尺寸全印刷C-PSMs中效率领先的成果之一。（图S46）

• 稳定性优异： 在65°C、1-sun MPPT跟踪下1,020 h后无明显衰减。未封装器件在85°C/85% RH湿热条件下，经过2,280 h仍保持超过84%的初始效率。（图4i）

• 物理机制： 气相处理分子，尤其是4FP，通过硫醇基（-SH）与Pb²⁺离子形成强配位键（4FP具有结合能-0.597 eV），有效抑制了非辐射复合（τavg延长至389 ns），显着降低了陷阱密度。（图2e）

文章标题：Vapour-assisted surface treatment for highly stable fully printed carbon-electrode perovskite solar modules

出处（期刊名称）：nature photonics

出版日期：2025.11.03

DOI：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01790-2