一、研究背景与挑战
多结光伏电池能够突破单结电池的Shockley-Queisser辐射效率极限,是下一代高効率率光伏技术的核心方向。锡铅(Sn-Pb)混合ペロブスカイト是实现高効率ペロブスカイト/硅叠层电池的重要窄带隙吸光层材料。然而,Sn(ii)在前驱体溶液中极易氧化为Sn(iv),且结晶动力学难以控制,严重制约了Sn-Pbペロブスカイト薄膜的半导体质量和器件性能提升。理解前驱体溶液化学并实现薄膜的精准调控,是推动多结光伏效率突破的重要。
图1:Sn-Pbペロブスカイト前驱体溶液化学。
二、Sn(ii)物种的主导机制:羧酸与铵根的协同作用
本研究首次系统揭示,Sn(ii)物种在前驱体溶液中处于化学反应的核心主导地位。Sn(ii)不仅与铅碘化物形成复合物,还与各种添加剂发生竞争性配位,直接决定了锡铅ペロブスカイト的结晶路径。研究团队发现,羧酸(-COOH)功能团能够调控溶液的胶体性质和薄膜结晶过程,而铵根(-NH3+)功能团则负责改善薄膜的光电性质。两种功能团各司其职、缺一不可。核磁共振(NMR)实验证实,PhA(苯乙胺)分子中的羧酸质子与Sn(ii)发生强相互作用,导致信号消失,表明Sn(ii)与羧酸之间形成了稳定的配位结构。
图2:Sn-Pbペロブスカイト薄膜的形貌、结晶度与电子性质。
三、氨基酸盐策略:双功能团的完美结合
基于上述发现,研究团队提出将羧酸和铵根两种功能团集于同一分子中的策略--即使用氨基酸盐(如PhA,苯乙胺盐)。与分别引入单一功能团分子相比,氨基酸盐能够同时发挥羧酸的溶液胶体调控作用和铵根的缺陷钝化效果,显著提升Sn-Pbペロブスカイト薄膜的半导体质量和均匀性。掠入射广角X射线散射(GIWAXS)结果表明,PhA处理后薄膜的(100)晶面峰强度提升超过3倍,表明结晶质量显著改善。扫描电子显微镜(SEM)图像显示,PhA处理的薄膜晶粒更大、形貌更致密、晶界更清晰。
图3:Sn-Pbペロブスカイト薄膜的光电性质表征。
四、薄膜质量与器件性能
准费米能级分裂(QFLS)空间成像显示,PhA处理的Sn-Pbペロブスカイト薄膜QFLS值从~0.80 eV(对照组)提升至~0.87 eV,且空间分布极为均匀,远优于单独使用PEA或PPA添加剂的对照组。瞬态光致发光光谱(TRPL)表明,PhA器件的电荷载流子寿命显著延长,扩散长度增加。基于PhA策略的单结Sn-Pbペロブスカイト太阳能电池实现了23.9%的光电转换效率(VOC 0.91 V,JSC 33.07 mA/cm2,FF 80%),稳态输出效率达23.4%。
五、多结电池效率新纪录
将氨基酸盐优化的Sn-Pb窄带隙ペロブスカイト应用于多结器件,团队实现了单结、双结、三结和四结电池的全面效率提升:单结冠军效率23.9%,双结0.25-cm2面积效率达29.2%,1-cm2面积认证效率29.26%,三结1-cm2冠军效率28.4%(认证27.28%),四结0.25-cm2冠军效率27.9%,最高开路电压达4.94 V。封装后的三结电池在最大功率点追踪超过860小时后,仍保持初始效率的80%,展现出优异的长期稳定性。
图4：太阳能电池器件性能。