新年重磅：钙钛矿Nature合集！

文摘 2025-01-29 07:55 河南

新年伊始，在此知光谷编辑部精选了2024年《Nature》期刊发布的与钙钛矿太阳能电池相关的20篇精彩文章。通过这些研究，我们可以深刻感受到钙钛矿太阳能技术在不断发展与突破中的强大生命力和创新潜力。研究成果涵盖了基于钙钛矿叠层电池、大面积模组和钙钛矿发光器件多个重要领域的探讨。

回顾往昔，每一篇文献都是科研工作者智慧与汗水的结晶，它们不仅记录了钙钛矿太阳能电池领域的进步与成就，更为我们指明了前行的道路。展望2025年，我们鼓励所有科研同仁继续秉承敢于创新、勇于探索的精神，不畏艰难，持续攀登科研高峰。

在2025年，愿大家在科研的道路上不断超越自我，取得更加辉煌的成就！知光谷将继续与大家携手并肩，为实现更可持续、更绿色的能源未来贡献力量！

钙钛矿电池器件

1. 用于多结光伏的转向钙钛矿前驱体解决方案

牛津大学Henry J. Snaith教授、Shuaifeng Hu（华中科技大学校友一作兼通讯）以及京都大学Atsushi Wakamiya等人针对锡铅钙钛矿前驱体溶液的化学性质进行了深入研究。研究发现，Sn(II)物种在与前驱体和添加剂的相互作用中起主导作用，羧酸对溶液胶体性质和薄膜结晶有独特调节作用，而铵盐则在提高薄膜的光电性能方面发挥了重要作用。通过将这两种功能基团结合，氨基酸盐材料显著改善了钙钛矿薄膜的半导体质量和均匀性，超越了单独使用这些功能基团时的效果。这一发现为进一步提升锡铅钙钛矿太阳能电池的效率提供了新的思路。基于这些研究，科学家成功地制造出了单结、双结和三结钙钛矿太阳能电池，分别实现了23.9%、29.7%和28.7%的PCE（最高认证效率为29.26%）。此外，封装后的三结电池在工作环境下的长期稳定性良好，具有80%的初始效率。该研究为多结光伏器件的进一步发展设立了新的技术基准。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08546-y

2. 全无机钙钛矿叠层光伏组件

华南理工大学严克友教授等人采用对甲苯磺酰肼（PTSH）作为配体演变（LE）策略，用于调控无机窄带隙（NBG）钙钛矿的薄膜成型并消除深能级缺陷，从而成功开发了2T IPTSCs。基于此，1.31 eV的CsPb0.4Sn0.6I3器件实现了17.41%的效率记录。结合1.92 eV的CsPbI2Br顶电池，2T IPTSCs展示出22.57%的最高效率（认证效率为21.92%）。此外，在最大功率点（MPP）跟踪下，IPTSCs展现出卓越的耐久性，在65°C下运行1510小时后保持初始效率的80%，在85°C下运行800小时后亦如此。研究表明，LE策略通过多种机制有针对性地促进无机窄带隙钙钛矿的生长。我们期望本研究为开发高效率、稳定的IPTSCs提供了有价值的指导。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08432-7

3.高Miller指数晶面的协同生长提升了钙钛矿太阳能电池的性能

北京大学朱瑞&龚旗煌&牛津大学Henry J. Snaith&剑桥大学Samuel D. Stranks&宁波东方理工大学Han Bing&北京航空航天大学Luo DeYing等人报告了一种有效方法，通过在稳定的气氛中让高米勒指数取向的晶粒在低米勒指数取向的晶粒上生长，形成连贯的晶界，从而制备出高质量、微米级的甲脒基钙钛矿薄膜。所得微米级钙钛矿薄膜的晶界和晶粒均得到优化，展现出稳定的材料特性和卓越的光电性能。小面积太阳能电池的效率达到了26.1%。1平方厘米器件和5厘米×5厘米小型组件的效率分别达到了24.3%和21.4%。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08159-5

4. 使用定制二维钙钛矿实现全钙钛矿叠层中的均匀接触

南京大学谭海仁&吉林大学张立军&剑桥大学Samuel D. Stranks等人发现了一个导致不均匀性的关键因素——在沉积电子传输层（ETL，C60）时形成的顶部界面。通过引入4-氟苯乙胺（F-PEA）和4-三氟甲基苯基铵（CF3-PA）的混合物来创建一个定制的二维钙钛矿层（TTDL），其中F-PEA在表面形成二维钙钛矿，减少了接触损失和不均匀性，而CF3-PA则增强了电荷的提取和传输。因此，研究团队在1.77电子伏特宽带隙的钙钛矿太阳能电池中实现了1.35伏的高开路电压和20.5%的效率，器件面积为1平方厘米。通过将其与窄带隙钙钛矿子电池堆叠，报道了面积为1.05平方厘米的全钙钛矿叠层电池，其效率达到28.5%（认证效率为28.2%），这是迄今为止报道的最高效率。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08158-6

5.钙钛矿-有机叠层太阳能电池的异构二铵钝化

中科院化学所李永舫&孟磊&波茨坦大学Felix Lang研究团队开发了一种新的表面钝化剂——环己烷1,4-二碘二铵（CyDAI2），它天然包含两种异构结构，铵基位于己烷环的同侧或异侧（分别表示为顺式CyDAI2和反式CyDAI2），这两种异构体表现出完全不同的表面相互作用行为。顺式CyDAI2钝化处理减少了带隙为1.88 eV的WBG钙钛矿太阳能电池的准费米能级分裂（QFLS）与开路电压（Voc）之间的不匹配，并将其Voc提升至1.36 V。将经顺式CyDAI2处理的钙钛矿与带隙为1.24 eV的窄带隙有机活性层相结合，所构建的单片钙钛矿/有机叠层太阳能电池表现出26.4%的PCE（经认证为25.7%）。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08160-y

6. 应变调节延缓钙钛矿太阳能电池的自然运行衰减

苏州大学李耀文&张晓宏&林雪平大学高峰研究团队发现高效FAPbI3钙钛矿太阳能电池在自然日夜循环模式下的降解实际上要快得多，这质疑了被广泛接受的基于连续模式测试来估算钙钛矿太阳能电池运行寿命的方法。研究团队揭示，关键因素在于钙钛矿在工作过程中因热胀冷缩而产生的晶格应变，这种效应在连续光照模式下会逐渐松弛，但在循环模式下会同步循环。循环模式下的周期性晶格应变导致操作期间深陷阱积累和化学降解，降低了离子迁移势，从而缩短了器件寿命。研究团队引入了苯硒氯（Ph-Se-Cl）来调节钙钛矿在日夜循环期间的晶格应变，经过改性后，器件的认证效率达到了26.3%，且在循环模式下的T80寿命提高了10倍。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08161-x

7.隆基绿能叠层（2篇）

隆基中央研究院联合多家单位通过额外沉积二碘化二铵分子，有效的电子提取与进一步抑制非辐射复合相结合。该钙钛矿/硅叠层电池实现了34.08%的高效率，33.89%的独立认证稳定PCE，同时具有83.0%的填充因子（FF）和近1.97 V的开路电压（Voc）。这是首次报道的双结串联太阳电池的认证效率超过单结Shockley-Queisser 33.7%的限制。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07997-7

基于激光图案化的硅异质结背接触太阳能电池

隆基绿能科技有限公司徐希翔博士、李振国、Liang Fang 、Chaowei Xue联合扬州大学丁建宁教授等人使用激光器来简化背接触太阳能电池的制造并提高功率转换效率。本方法生产出第一块效率超过 27% 的硅太阳能电池。氢化非晶硅层沉积在晶圆上，用于表面钝化和光生载流子的收集。开发了一种不同于传统技术实践的致密钝化接触，不同波长的脉冲皮秒激光器用于创建背接触图案。所开发的方法是生产高性能背接触硅太阳能电池的简化工艺，总有效处理时间约为新兴主流技术的三分之一。为了满足太瓦需求，作者开发了效率为 26.5% 的稀有无铟电池和效率为 26.2% 的珍贵无银电池。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08110-8

8. 高效、热稳定的 FACsPbI3 钙钛矿光伏

南开大学袁明鉴和多伦多大学Edward H. Sargent团队确定了传统α相FA1-xCsxPbI3中Cs离子积累引起的界面接触损失，这会降低器件的性能和稳定性。通过原位GIWAXS分析和DFT计算，该团队展示了一种由醋酸盐表面配位实现的中间相辅助结晶途径，无需使用MA添加剂即可制造出高质量的α-FACsPbI3薄膜。α相FA1-xCsxPbI3 PSC的认证稳定功率输出(SPO)效率为25.94%，反向扫描PCE为26.64%，表现出可忽略不计的接触损耗和增强的操作稳定性。该器件的稳定性保留了其初始PCE的95%以上。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08103-7

9. 22.46% 认证记录效率的 715.1 cm²模组！

西湖大学王睿和浙江大学薛晶晶等人开发了一种基于芘的共轭母核新分子（Py3）的新型空穴选择接触结构，用作倒置钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，在不牺牲器件效率的前提下，能够大幅度提升钙钛矿电池器件的稳定性。研究发现以Py3为空穴传输层构筑的器件具有优异的运行稳定性，经拟合的运行寿命（T90）均超过10000小时。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07712-6

10. 二维类钙钛矿稳定钙钛矿太阳电池

美国西北大学Kanatzidis、Sargent和Marks等人创新地提出了一种利用2D“类钙钛矿”界面钝化的策略。利用同时含有角、边、面共享的类钙钛矿材料来构建界面钝化层，这种稳定的特殊结构有效地阻止了界面离子迁移现象。研究团队合成了一系列类钙钛矿材料，通过调节类钙钛矿材料在钙钛矿薄膜表面的维度和取向，实现了载流子在异质结构内部的高效传输。所开发的类钙钛矿材料中，2D (A6BfP)8Pb7I22有效地钝化了钙钛矿表面缺陷，提升了大面积钙钛矿薄膜的均匀性。基于这种“类钙钛矿/钙钛矿异质结”的钙钛矿太阳电池（>1 cm2）实现了24.6%的认证准稳态光电转换效率，并展示出在85℃下空气环境中1250小时的稳定运行。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07764-8

11. 倒置钙钛矿太阳能电池纪录效率26.54%

华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜-刘宗豪团队创新地提出一种埋底界面自组装单分子杂化（hybrid）策略，即在高性能自组装单分子Me-4PACz前驱液中引入同样具有大π共轭基团且含有对称多羧基的三苯胺单体（4,4’,4’’-硝基三苯甲酸（NA））。基于择优带隙FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿的反式PSCs在权威第三方机构（国家光伏产业计量测试中心NPVM）的准稳态认证效率高达26.54%，超过此前同机构认证的进表效率纪录（26.1%，NPVM）。此外，该新型杂化自组装单分子材料良好的浸润性十分有利于制备大面积器件，在孔径面积为11.1 cm2的微型模组中实现了22.74%的认证效率，为反式mini模组同期最高认证效率，证明了埋底界面自组装分子杂化策略在大面积钙钛矿光伏组件中的巨大应用前景。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07723-3

12.用于钙钛矿光伏的水活化和热活化动态钝化

香港城市大学冯宪平教授与牛津大学Henry J. Snaith教授等人报告了一种使用受阻尿素/硫代氨基甲酸酯键路易斯酸碱材料(HUBLA)的活性钝化策略，其中与水和热激活特性的动态共价键可以动态修复钙钛矿，以确保器件性能和稳定性。暴露于水分或热量后，HUBLA会产生新药剂并进一步钝化钙钛矿中的缺陷。这种钝化策略实现了功率转换效率(PCE)为25.1%的高性能设备。HUBLA设备在N₂中85°C下老化约1500小时后仍保持了其初始PCE的94%，在空气中85°C和30%相对湿度(RH)下老化1000小时后仍保持了其初始PCE的88%。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07705-5

13.带隙通用钝化技术实现具有低光电压损耗的稳定钙钛矿太阳能电池

瑞士洛桑联邦理工学院Paul J. Dyson，费兆福博士，Mohammad Khaja Nazeeruddin，苏州大学张晓宏教授以及华北电力大学丁勇教授携手提出了一种创新的协同掺杂剂-添加剂组合策略。通过使用甲胺盐（MACl）作为掺杂剂和1,3-双（氰甲基）咪唑盐（[Bcmim]Cl）作为Lewis碱性离子液体添加剂，他们成功地抑制了钙钛矿前体溶液（PPS）的降解，遏制了MACl的聚集，形成了相均匀、稳定且具有高结晶度和较少缺陷的钙钛矿薄膜。这一创新方法不仅使得钙钛矿太阳能模块（PSMs）在一个27.22 cm²的采光面积上取得了惊人的认证效率，最终稳定在22.97%，创下了目前认证的PSM性能最高的记录。更为重要的是，PSMs在室温连续单光照下经过1000小时后仍保持94.66%的初始效率，展现了出色的长期操作稳定性。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07228-z

14.掺杂剂-添加剂增效作用增强钙钛矿太阳能组件

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07228-z

15.27.1%认证效率的三结钙钛矿叠层！

新加坡国立大学侯毅等人提出了一种新的拟卤素，氰酸盐(OCN)，其有效离子半径(1.97 Å)与溴(1.95 Å)相当，作为溴的替代品。电子显微镜和x射线散射证实了OCN并入钙钛矿晶格。这导致了显著的晶格畸变，范围从90.5°到96.5°，碘化物/溴化物分布均匀和一致的微应变。由于这些影响，OCN基钙钛矿表现出增强的缺陷形成能量和显著降低的非辐射复合.

实现了一种开路电压(Voc)为1.422 V的宽带隙钙钛矿(1.93 eV)单结器件，Voc × FF(填充因子)值超过80%的shockli - queisser极限和最大功率点跟踪下的稳定超过300小时，最终实现了1 cm2面积的27.62%效率(认证效率27.10%)钙钛矿-钙钛矿-硅三结太阳能电池。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07226-1

钙钛矿发光器件

1.发光钙钛矿半导体中可控的p型和n型行为

浙江大学赵保丹和狄大卫等人报告了一种方法，通过引入具有强电子吸引能力的磷酸分子掺杂剂，可以调节宽带隙钙钛矿半导体的p型和n型特性。结果表明，p型和n型样品的载流子浓度均超过了 10¹³cm⁻³，霍尔系数在 −0.5 m³C⁻¹（n型）到 0.6 m³C⁻¹（p型）范围内。我们观察到了费米能级在带隙中的移动。重要的是，实现了从n型到p型导电性的转换，同时保持了70%到85%的高光致发光量子产率。在发光钙钛矿半导体中，可控的掺杂使得我们展示了超高亮度（超过1.1×10⁶cdm⁻²）和卓越的外量子效率（28.4%）的钙钛矿发光二极管，其结构简单。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07792-4

2.发光钙钛矿半导体中可控的p型和n型行为

吉林大学王宁、剑桥大学Neil C. Greenham与上海大学杨绪勇等人首次揭示了一种双端锚定纯碘基钙钛矿八面体单元的新机制。通过采用密度泛函理论（DFT）计算，首次发现了3-甲氧基苯乙胺（3-Methoxyphenethyl-ammonium，MOPA）的双末端基团可从根本上稳定钙钛矿的[PbI6]2-，并在实验上证实了该稳定机制。在整个纯红光区域（627 nm, 638 nm和645 nm）均实现了超过20% EQE的PeLEDs，峰值EQE达到了创纪录的28.7%，并表现出稳定且均匀的电致发光特性，器件的工作半寿命超过了7600分钟。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07531-9

3.发光钙钛矿半导体中可控的p型和n型行为

南京工业大学黄维、王建浦、朱琳等人联合开展了一系列工作。他们利用双添加剂结晶方法，促进了四方相FAPbI3钙钛矿的形成，加速了辐射复合的过程，从而实现了高效的3D钙钛矿。通过在制备过程中引入适量的1-氨基吡啶碘(PyNI)和5-氨基戊酸(5AVA)，研究人员成功地提高了钙钛矿的光致发光量子效率，从而实现了较高的LEDs峰值外部量子效率。通过创造性地将理论研究转化为实践，成功实现了具有32.0%的EQE创纪录的LEDs，为LED技术的进一步发展和应用提供了关键的基础。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07460-7

4.量子点发光二极管的长距离有序稳定性

苏州大学的廖良生等人报道了一种化学处理方法，以改善钙钛矿量子点薄膜的长程有序：重复量子点单元的衍射强度与对照相比增加了三倍。使用协同双配体方法实现这一目标：用于阴离子交换的富含碘化物的试剂（氢碘化苯胺）和产生强酸的化学反应剂（溴三甲基硅烷），该强酸可原位溶解较小的量子点以调节尺寸并更有效地去除较少的量子点。导电配体可形成致密、均匀且无缺陷的薄膜。

这些薄膜表现出高电导率，比对照高2.5倍，是迄今为止钙钛矿量子点中记录的最高电导率。高电导率确保了高效的电荷传输，使红色钙钛矿 QD-LED 能够在 2.8V 的创纪录低电压下产生 1,000 cdm−2 的亮度，该亮度下的 EQE 超过 20%。此外，在EQE超过20%的情况下，该器件的运行稳定性比以前的红色钙钛矿LED好100倍。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07363-7

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