Nature Communications | 突破！宁波材料所叶继春团队为突破钙钛矿/硅叠层太阳能电池稳定性研发新策略

第一作者：汪新龙

通讯作者：叶继春*，杨熹*，应智琴*

单位：中科院宁波材料所

目前，尽管钙钛矿/硅叠层太阳电池的效率已经达到33.2％，但钙钛矿活性层的长期稳定性仍然是该技术商业化的最大障碍之一。为提高钙钛矿器件的稳定性，目前通常采用封装工艺、晶体调控工程、缺陷钝化方法和能带调节方式等方法。然而，钙钛矿器件在制造和运行过程中，由于不可避免的拉伸应力导致的时间依赖亚临界钙钛矿降解仍然会发生，这类似于许多金属、玻璃和聚合物材料中的“应力腐蚀”。

微观层面上，这种应力会削弱铅卤化物的轨道耦合，从而改变材料的结构相关特性（例如带隙和载流子动力学），降低相变、缺陷形成和离子迁移的势垒。在宏观层面上，这种应力还会促使裂纹和分层的出现，加速钙钛矿的降解，最终导致器件效率降低甚至失效。

基于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所新能源所叶继春研究员团队在前期晶体硅和钙钛矿太阳电池研究的基础上，在高效稳定钙钛矿/硅叠层电池领域又取得了新的进展。相关成果以“Long-chain anionic surfactants enabling stable perovskite/silicon tandems with greatly suppressed stress corrosion”为题发表于Nature Communications。

该团队采用一种长碳链阴离子表面活性剂添加剂，研究发现该添加剂能通过表面自分离和胶束化以改善钙钛矿晶体生长动力学，并在钙钛矿晶界构建类胶状的支架以消除残余应力；因此，钙钛矿活性层中缺陷减少、离子迁移受抑制以及能级结构改善。最终实现了未封装的钙钛矿单结和钙钛矿/硅叠层太阳电池在最大功率点跟踪下连续光照下3,000小时和450小时的运行稳定性测试中，分别保持了85.7%和93.6%的初始性能，代表了迄今为止在类似条件下报道的稳定性最佳的器件之一。

图1：长链阴离子表面活性剂抑制应力腐蚀作用机理（上）；钙钛矿单结（中）以及钙钛矿/硅叠层（下）太阳电池最大功率点工作稳定性测试。

为缓解应力腐蚀导致的钙钛矿稳定性问题，宁波材料所叶继春团队设计了一种新方法。该方法使用商业化的长链阴离子表面活性剂来探究其对钙钛矿的光电和力学性质的影响。在钙钛矿沉积的过程中，添加LAS后，其首先自我分离成单层位于溶液-空气界面上，然后形成大尺寸类胶束状聚集体。后者作为前核聚集体，实现了快速的成核，而前者则作为溶剂分子筛减轻溶剂蒸发并减缓晶体生长，协同改善钙钛矿的结晶性。更重要的是，这些LAS包裹在钙钛矿晶粒周围形成支架，通过降低杨氏模量和热膨胀系数，有效地消除应力，从而提高了钙钛矿器件的效率和稳定性。

要点二：长链阴离子表面活性剂对钙钛矿薄膜光电性能影响

作者发现LAS能很好地调控晶体生长，显著减少钙钛矿非辐射复合，抑制离子迁移，改善能级对齐和促进钙钛矿薄膜晶格有序化，从而最终提高器件性能和改善器件稳定性。

要点三：长链阴离子表面活性剂对器件性能影响

本文证明了将长链阴离子表面活性剂作为添加剂加入到钙钛矿前体溶液中不仅可以改善钙钛矿晶化，更重要的是可以消除膜残余应力。这使得修饰后的钙钛矿薄膜具有同时降低缺陷、抑制离子迁移和改善能级对齐的特性。相应的非封装单结钙钛矿电池和钙钛矿/硅太阳能叠层电池在最大功率点跟踪下，经过3000小时和450小时后，保留了85.7%和93.6%的初始效率，代表了迄今为止报道的在类似条件下最稳定的器件之一。

要点四：前瞻

为缓解应力问题通常采用的策略是采用长链小分子或聚合物添加剂，通过软化晶界和引入薄膜的可塑性来增强钙钛矿的内聚断裂能。然而，这些长链添加剂会限制钙钛矿的生长，导致晶粒尺寸比短链添加剂的减小更为显著。此外，它们的绝缘性质总是会对载流子提取造成损失，分子量的不确定性也会对器件制备重复性产生负面影响。并且大多数这些有机添加剂都具有高挥发性、温度敏感性和无序性，因此在高温和长时间光照下很难保持其功效，最终导致额外的热不稳定性。离子表面活性剂由于其独特的物理化学性质，在调节柔性和可拉伸柔性设备的机械和电学特性方面被广泛使用。然而，离子表面活性剂对基本钙钛矿机械特性的影响尚未被研究，离子表面活性剂结构与钙钛矿应力之间的相关性也大多被忽视了。

Wang, X., Ying, Z., Zheng, J. et al. Long-chain anionic surfactants enabling stable perovskite/silicon tandems with greatly suppressed stress corrosion. Nat Commun 14, 2166 (2023).

叶继春研究员2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。在半导体器件、太阳能电池、和材料等领域具有超过20年的研发积累，在工艺开发、工艺集成、和器件设计与制备表征等领域内有较为丰富的经验。

2012年8月回国后，叶继春研究员组建了一个100余人的科研团队，所从事的研究内容包括新型高效晶硅太阳电池、宽禁带半导体、及相关仪器装备开发和新材料开发。在Advanced Materials，Energy & Environmental Science等杂志上发表200余篇论文，2篇著作章节，申请专利220项，授权100余项，团队完成或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院重大装备项目、以及浙江省、宁波市、企业等科研项目90余项。

2个项目实现转移转化，率先开展了基于管式PECVD路线的TOPCon技术开发，并全方位推动该技术的产业化应用。曾获得教育部自然科学奖二等奖、中科院朱李月华优秀导师等奖项。培养的博士生获得中科院百篇优秀博士论文一次。

课题组网页：https://jichunye.nimte.ac.cn/

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