引言
全钙钛矿叠层太阳能电池（PTSCs）因其理论效率可突破肖克利-奎瑟极限而备受关注，但窄带隙（NBG）锡-铅（Sn-Pb）钙钛矿的晶格不稳定性和卤化物迁移问题严重制约其发展。近日，团队在《Nature Communications》发表重磅成果，通过引入刚性三磺酸分子NTS，显著增强了Sn-I键强度并均质化晶格应变，实现了单结Sn-Pb电池23.2%的效率，叠层器件效率高达29.6%（认证效率29.2%），并展现出超700小时的运行稳定性。这一突破为钙钛矿叠层电池的商业化铺平了道路。
核心研究内容
- 问题背景
- Sn-Pb钙钛矿中Sn²⁺易氧化，Sn-I键在光照下易断裂，导致离子迁移和晶格畸变。
- 传统钝化策略（如柔性分子添加剂）无法有效抑制动态晶格应变，器件稳定性差。
- 创新解决方案
- Sn-I键强化：磺酸基团通过电子转移增强Sn-I共价性，抑制光照下的键断裂（图1b-d）。
- 应变均质化：刚性分子骨架减少晶格振动，缓解局部应力积累（图2a-c）。
- 团队设计了一种刚性三磺酸钠分子（NTS），其萘环骨架和三个磺酸基团可多点锚定Sn²⁺，形成强配位键（图1a）。
- 双重作用机制：
实验方法与关键发现
- 分子设计与表征
- 拉曼光谱：NTS处理的薄膜中Sn-I键振动峰蓝移（118.2→120.9 cm⁻¹），显示键强度提升（图1b）。
- AIMD模拟：NTS使晶格畸变指数（DI）降低50%，抑制光照下的离子迁移（图1k-l）。
- 薄膜性能优化
- 应力调控：GIXRD显示NTS将薄膜初始应力从+56 MPa（拉伸）转为-67 MPa（压缩），光照20小时后仍保持-51 MPa（图2d）。
- 离子迁移抑制：TOF-SIMS证实NTS将碘离子迁移率降低70%（图2f-g）。
- 器件性能突破
- 单结电池：效率从21.3%提升至23.2%，750小时MPP追踪后效率保持94.1%（图3j）。
- 叠层电池：2T结构实现29.6%的冠军效率（认证29.2%），700小时运行后保持93.1%初始效率（图4d）。
创新点总结
- 刚性分子锚定：NTS通过三磺酸基团与Sn²⁺形成多点配位，显著增强Sn-I键稳定性。
- 动态应变抑制：刚性萘环骨架减少光致晶格振动，均质化Pb/Sn组分梯度（图2c）。
- 工业化潜力：大面积器件（1 cm²）效率超过28%，且工艺兼容现有量产技术。
应用前景
- 叠层电池商业化：高效率与长寿命结合，满足光伏产业对稳定性的严苛要求。
- 材料设计范式：刚性多齿分子策略可拓展至其他金属卤化物光电器件，如LED和探测器。
