论文概览
针对倒置（p-i-n）钙钛矿太阳电池（PSCs）效率低于常规结构（n-i-p）、界面非辐射复合严重及长期稳定性差的核心挑战，华东师范大学李向东团队联合中科院宁波材料所等科研团队创新性提出富铅钙钛矿表面硫化处理（SST）策略，构建稳定钙钛矿异质结。该研究通过旋涂吡啶 - 2 - 羧酸铅（PbPyA₂）形成富铅钙钛矿表面，再经六甲基二硅硫烷（TMS）硫化反应，在钙钛矿界面形成强化学键合的铅 - 硫（Pb-S）键：一方面使钙钛矿界面费米能级上移，诱导额外背表面场（与器件内建电势 Vbi 方向一致），促进电子提取；另一方面通过强 Pb-S 键（PbS的 Ksp=1.0×10⁻²⁸，较PbI₂的 7.1×10⁻⁹低19 个数量级）稳定异质结并加固钙钛矿晶格。最终，该创新体系使倒置器件实现24.3% 的功率转换效率（PCE），开路电压（Voc）达1.19 V，电压损失仅 0.36 V（基于1.55 eV 带隙的 FA 基钙钛矿）；稳定性方面，器件在 85℃无封装老化2200 小时后 PCE 仍保留 91.8%，在55±5℃、连续光照下最大功率点（MPP）运行 1000 小时后PCE 保留率超 90%。该研究以“Constructing heterojunctions by surface sulfidation for efficient inverted perovskite solar cells”为题发表于顶级期刊 Science。
技术亮点
Pb-S 键异质结构建：通过 TMS 与富铅钙钛矿反应形成强 Pb-S 键，既上移界面费米能级（使表面呈弱 n 型），又诱导额外背表面场，与内建电势协同提升电子提取效率，抑制空穴传输损失。
缺陷钝化与能级调控：Pb-S键填充钙钛矿表面缺陷，使光致发光（PL）峰从 789 nm 蓝移至 783 nm，时间分辨 PL（TRPL）寿命从 462 ns 延长至 706 ns；紫外光电子能谱（UPS）证实，硫化后钙钛矿功函数从 4.93 eV 降至 4.64 eV，导带（CB）与价带（VB）能级优化，减少非辐射复合。
强键稳定机制：Pb-S 键键能远高于 Pb-I 键及传统有机钝化的氢键 / 配位键，显著抑制离子迁移（I⁻扩散量降低 90% 以上）与电极腐蚀；且 PbS 与 FA 基钙钛矿晶格相似，加固钙钛矿晶体结构，提升热稳定性与运行稳定性。
宽体系适配性：该策略不仅适用于（FAPbI₃）₀.₉₅（MAPbBr₃）₀.₀₅混合阳离子体系，在 MA-free 的Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃体系中也能将 PCE 从21.1% 提升至 23.5%，兼容主流钙钛矿组分，工艺普适性强。
深度解析
图1A展示了表面硫化处理（SST）方法的构建过程：首先通过旋涂吡啶-2-羧酸铅（PbPyA₂）在钙钛矿表面形成富铅层，随后利用六甲基二硅烷（TMS）进行硫化反应，XPS谱图（图1B）证实了硫化后硫元素（S 1s）在162.0和160.8 eV处的特征峰出现，同时铅（Pb 4f）结合能发生0.3 eV的位移，表明强Pb-S键的形成。SEM图像（图1C）显示原始钙钛矿具有均匀晶粒结构，而富铅处理后出现亮斑（PbPyA₂导电性差所致），经TMS处理后亮斑消失并生成新的硫化产物，进一步通过Sn基钙钛矿的SEM-EDX映射验证了硫元素与铅元素的共定位，说明硫化反应成功发生于富铅区域。
图2通过荧光光谱（PL）和瞬态荧光谱（TRP）分析了硫化处理对钙钛矿光电性能的影响：SST处理后的薄膜表现出更强的PL强度和更长的载流子寿命（图2A-B），表明非辐射复合被显著抑制；能级结构测试（图2C）显示硫化表面费米能级从4.93 eV上移至4.64 eV（更接近n型），导带和价带分别变为4.01 eV和5.44 eV，这种浅费米能级促使电子自发向体相流动，并在界面处积累正电荷形成指向ITO的背表面场（图2D），该电场与倒置器件内建电势方向一致，从而增强电子提取并抑制空穴传输，最终提升开路电压。
图3A的Mott-Schottky曲线显示SST器件内建电势（Vbi）从1.07 V提高至1.21 V，与J-V曲线（图3B）中1.19 V的高开路电压（Voc）相符；器件效率从21.8%提升至24.3%，填充因子（FF）从80.0%增至82.9%，且认证效率达23.5%；稳定性测试（图3C-D）表明SST器件在55°C连续光照下MPP跟踪1000小时后仍保持90.5%初始效率，85°C热老化2200小时后保留91.8%效率，而对照组器件分别仅剩77.6%和73.2%，且铜电极出现明显黑化降解（插图），证明硫化处理显著抑制了工作与热应力下的性能衰减。
图4通过SEM-EDX和KPFM分析了MPP跟踪后器件的界面降解与离子迁移：对照组器件移除电极后PCBM层出现强烈碘信号（图4A），钙钛矿形貌消失且表面电势波动剧烈（图4C暗区），表明碘离子扩散导致界面腐蚀与电极降解；而SST器件PCBM层碘信号微弱（图4B），钙钛矿晶粒清晰可见，表面电势与新鲜器件一致（图4C），证明强Pb-S键有效稳定了钙钛矿异质结，抑制了离子迁移并保护了PCBM层，从而大幅提升器件运行稳定性。
结论展望
本研究通过表面硫化构建Pb-S键异质结，首次实现倒置钙钛矿电池效率突破24%，同时解决长期困扰的界面稳定性与离子迁移问题。该创新不仅验证了“强化学键合-能级调控-晶格匹配”的协同机制，还为钙钛矿界面工程提供新思路——通过构建稳定无机-有机杂化界面，平衡效率与稳定性。这项研究为高效、稳定又环保的钙钛矿电池商业化扫清核心障碍，未来清洁能源普及再添强动力。
文献来源
Li, X., Zhang, W., Guo, X., et al. Constructing heterojunctions by surface sulfidation for efficient inverted perovskite solar cells. Science (2022).https://doi.org/10.1126/science.abl5676
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