客户成就 | 蔡司 FIB-ToF-SIMS 揭示昼夜循环下空穴传输层锂掺杂剂对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响

2026-05-26 10:45:27, 蔡司显微镜卡尔蔡司(上海)管理有限公司

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其高效率、低成本的优势，近年来发展迅猛，光电转换效率已突破26%，成为备受瞩目的下一代光伏技术。

然而，长期稳定性不足始终是其商业化道路上的最大障碍。传统稳定性测试多采用连续光照或持续暗态储存的方式进行评估，这些条件与器件实际服役环境—昼夜循环—存在显著差异。

在真实的户外应用中，太阳能电池每天都要经历“白天工作、夜晚休息”的周期性交替。现有测试方案是否能够真实反映器件在实际工况下的退化行为，这一问题长期被学术界所忽视。

研究成果

南京工业大学&中山大学秦天石&黄维团队在《Nature Energy》期刊上发表题为“Impact of lithium dopants in hole-transporting layers on perovskite solar cell stability under day-night cycling”的文章，该研究利用原位 GIWAXS 结合蔡司聚焦离子束-飞行时间二次离子质谱联用技术（FIB-ToF-SIMS），揭示了昼夜循环条件下锂离子诱导钙钛矿降解的微观机理，并成功开发出无锂替代掺杂剂——甲胺双三氟甲烷磺酰亚胺盐（MATFSI）。

▲ 暗态与光照条件下锂元素的分布

a,g：利用蔡司FIB-ToF-SIMS联用技术获取的钙钛矿太阳能电池深度剖面图，显示暗态储存(a)和光照8小时(g)后锂离子（红线）从spiro-OMeTAD层向FAPbI₃层的迁移行为。

b–e,h–k：不同切片位置的俯视锂分布图（左：ToF-SIMS）与形貌图（右：FIB-SEM），表明光照导致锂离子在FAPbI₃晶界处富集。

f,l：侧视锂分布图，显示暗态(f)和光照(l)条件下锂离子主要富集于FAPbI₃与SnO₂的界面处。

依托于蔡司 FIB-ToF-SIMS 技术优异的纳米级空间分辨率和原位逐层元素成像能力，研究人员能够在保持器件原始结构的前提下，精准定位锂离子在垂直方向上的分布与富集位置（如晶界、界面），为揭示锂离子动态迁移行为及其导致的相变降解机制提供了不可替代的可视化证据。

基于 FIB-ToF-SIMS 及其他分析手段，该研究有如下发现：

揭示昼夜循环下的“隐藏”降解机制

在连续光照或持续暗态条件下，LiTFSI 掺杂的器件表现出相对稳定的性能。然而，一旦进入光照-暗态交替循环模式，器件效率便出现快速衰减。这一结果表明，传统稳定性测试严重低估了昼夜循环对器件寿命的影响。通过飞行时间二次离子质谱和掠入射广角X射线散射等先进表征技术，研究团队首次直观观测到了锂离子在昼夜循环中的动态行为：光照时电场驱动锂离子沿晶界向底部迁移，暗态时电场消失使锂离子自由扩散回钙钛矿晶粒内部，再次光照时锂离子被还原为锂金属单质，进而与甲脒阳离子发生交换反应，生成大尺寸的锂代甲脒阳离子，最终触发钙钛矿从 α 相向 δ 相的不可逆相变。

开发无锂替代掺杂剂MATFSI

针对锂离子引发的稳定性问题，团队设计合成了一种新型有机掺杂剂 MATFSI。该材料在与 spiro-OMeTAD 反应后，MA⁺ 阳离子会以气体形式挥发，不留任何阳离子残留，从根本上避免了离子迁移导致的相变问题。MATFSI 掺杂器件实现了：26.1% 的光电转换效率（认证效率25.6%），在 ISOS-LC-1 昼夜循环测试中，T95 寿命超过 1200 小时，在电压开-关循环测试中，T95 寿命超过 3000 次循环。

论文共同第一作者为南京工业大学与中山大学联合培养的博士研究生赵金政，南京工业大学曹久朋教授和董京金教授，通讯作者为黄维院士和秦天石教授。

黄维院士，是中国有机电子学科、塑料电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者，被业界誉为“柔性电子学之父”。在柔性电子学领域，以主要作者身份在 Nature、Nature Electronics、Nature Energy、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Science、Research、npj Flexible Electronics、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society 等顶尖学术期刊发表研究论文 1000 余篇，h 因子为 200，国际同行引用逾 20 万次。

秦天石，中山大学, 柔性电子学院，教授，博士生导师。国家重要海外人才计划、江苏省双创人才计划、江苏省杰出青年基金获得者。南京大学化学学士、德国哈勒大学应用高分子硕士、德国美茵茨大学化学博士。曾任德国马克思普朗克高分子研究所博士后、澳大利亚联邦科学与工业研究院研究员、澳大利亚莫纳什大学客座研究员、南京工业大学柔性电子（未来技术）学院副院长。在 Nature Communications、Research、Matter、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition 等一流期刊发表研究论文 60 余篇，被引 3000 余次。承担多项国家重点研发计划课题、基金委重大研究计划集成项目、面上项目等。

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