论文概览
全钙钛矿叠层太阳能电池展现出超越肖克利-奎塞尔理论极限的非凡潜力。然而，由于多尺度物理耦合产生的自增强光热-机械退化机制，其实际应用面临严峻挑战。针对上述问题，中科院宁波材料所葛子义、刘畅团队创新性提出在锡-铅钙钛矿溶液体系中引入多功能聚胺配体三苯基三胺硫代磷酸盐，建立了碘-锡-氮配位介导的晶格稳定框架，并通过抑制周期性振荡和调控应力等多方面手段切断了光热-机械耦合路径。使得单结锡-铅钙钛矿太阳能电池实现了23.4%的光电转换效率，并在最大功率点追踪950小时后仍保持初始性能的94.9%。当该器件集成至两端叠层结构时，其效率达到29.6%的显著水平（认证效率28.9%），在连续运行900小时后仍能维持93.4%的初始效率。 相关成果以“Decoupling photothermal-mechanical degradation through lattice-stabilizingnetworks in Sn–Pb perovskites and all perovskite tandem solar cells”为题发表在期刊Nature Communications上。
技术亮点
1. 分子创新：创新性地设计了多功能小分子TPTA，通过构筑I-Sn-N配位网络，从原子尺度实现了晶格锚定，有效抑制了晶格应力和周期性振荡。
2. 多维阻断：该策略通过单一分子干预，同时从热、机械等多个维度切断了连锁退化反应，实现了对复杂降解路径的精准“解耦”。
3. 性能验证：基于此策略的单结Sn-Pb电池获得了23.4%的效率并表现出卓越的运行稳定性，为叠层电池提供了理想的基础单元。
4. 效率标杆：最终集成的全钙钛矿叠层电池获得了29.6%的最高效率（认证28.9%），是当前该领域内效率与稳定性协同提升的标志性成果。
研究意义
✅机制突破：本研究首次从物理层面阐明并成功切断了钙钛矿中光、热、机械应力的自增强耦合降解路径，为设计高稳定性光电器件提供了全新的理论框架。
✅ 协同提升：该工作成功打破了钙钛矿电池“效率”与“稳定性”难以兼得的传统困境，将全钙钛矿叠层电池的性能与寿命同时推向了新的高度。
✅ 产业推动：其实现的近30%认证效率及超过900小时的持续运行稳定性，为全钙钛矿叠层电池的产业化进程扫除了一个关键障碍。
✅ 普适策略：文中提出的晶格稳定网络概念具有普适性，为解决其他软性半导体材料在工况下的结构失效问题提供了通用性的材料设计思路。
深度精度
1. 通过系统的理论计算与实验表征，揭示多功能分子TPTA在稳定锡-铅钛矿晶格方面的微观机制：
理论计算表明，引入P=S键的TPTA分子具有最高的偶极矩（5.13 Debye），增强了分子极性，使其与钙钛矿表面Sn²⁺产生最强的静电吸引作用。差分电荷密度分析证实TPTA与Sn位点间存在显著的电子云重分布，其吸附能达-2.525 eV，显著高于对比分子TAPB和TAPOB。FTIR和XPS结果进一步验证了TPTA中P=S键通过重塑末端氨基的电子云密度，增强了与Sn²⁺的配位能力，而其对Pb位点影响甚微，体现出对Sn位点的特异性稳定作用。拉曼光谱动态监测显示，TPTA处理后的薄膜在20小时光照下Sn-I键波数偏移仅1.0 cm⁻¹，远小于对照组的3.0 cm⁻¹，证明其有效增强了Sn-I键强度，抑制了光致键弛豫。这种分子层面的精准调控为构建稳定的钙钛矿晶格提供了新思路。
2. 多维度表征系统揭示TPTA分子对锡-铅钙钛矿晶格的稳定机制：
研究表明，Pb²⁺与Sn²⁺不同的电子-声子耦合强度会引发晶格不均匀性，导致局部应力集中，使Sn-I键在光照下极易断裂。温度依赖荧光谱显示，TPTA处理将电子-声子耦合常数从2553.5 meV显著降至317.1 meV，有效抑制了键振荡。XRD与GIXRD测试证实TPTA引入使薄膜从19 MPa拉伸应力转变为-15 MPa压应力，即使20小时光照后仍维持-10 MPa，这种压应力有效抑制晶格振动和缺陷迁移。TEM-IDPC成像直观显示TPTA处理薄膜在20小时光照后仍保持完整的晶格对称性，而对照组出现明显的晶格碎片化。离子迁移测试表明TPTA将碘离子迁移活化能从347.3 meV提升至563.3 meV，TOF-SIMS和UV-Vis证实其显著抑制了碘离子迁移和I₂释放。XPS分析显示TPTA将Sn⁴⁺含量在40小时光照后控制在17.9%，远低于对照组的43.2%。这些结果共同证明TPTA通过P=S键增强Sn-I键强，构建“分子弹簧”效应，从根源上阻断了光热-机械耦合的降解路径。
3. 系统表征证实TPTA添加剂可显著提升锡-铅钙钛矿薄膜的质量与器件性能：
SEM显示TPTA处理使晶粒尺寸增至910.8 nm，且光照40小时后仍保持完整形貌，而对照组出现明显PbI₂析出和晶界降解。XRD与GIWAXS分析表明TPTA增强了结晶度并抑制了垂直相分离，TOF-SIMS证实其实现了Sn/Pb的均匀分布。光学性能方面，TPTA处理薄膜的荧光强度最高，载流子寿命达12.52 μs，界面非辐射复合损失降至0.0031%。电学测试显示TPTA器件具有最快的电荷提取速率（8.37 μs）和最长载流子寿命（6.95 μs），陷阱密度显著降低。最终制备的单结太阳能电池效率提升至23.4%，并在最大功率点跟踪950小时后仍保持94.9%的初始效率，储存3000小时后仍保持90%性能，显著优于对照组。这些结果充分证明了TPTA通过形成“分子弹簧”机制增强Sn-I键、抑制离子迁移、优化界面能级对齐的多重协同作用。
4. 此全钙钛矿叠层太阳能电池经第三方认证效率达28.9%，稳态输出效率高达29.5%，展现出卓越的竞争力。基于TPTA添加剂的器件表现出优异的重复性和稳定性：在最大功率点连续运行900小时后仍保持93.4%的初始效率，氮气环境中储存2900小时后仍保留90.1%的初始性能，显著优于对照组。这些成果证实了TPTA添加剂在提升钙钛矿叠层电池效率和长期稳定性方面的关键作用。
结论展望
本研究提出了一种高效的分子设计策略，成功解决了锡-铅窄带隙钙钛矿面临的晶格不稳定性、应变异质性和卤化物迁移等关键挑战。研究发现，具有高偶极矩和多位点锚定效应的TPTA分子在增强Sn-I键强度、抑制晶格振动、缓解局部应力和稳定钙钛矿晶格方面表现最为卓越。通过解耦光热-机械反馈循环并阻断多尺度降解级联反应，TPTA促进了均匀坚固的晶格结构形成，使其在工作条件下保持稳定。基于此优化的单结窄带隙钙钛矿太阳能电池实现了23.4%的光电转换效率，并在连续运行950小时后仍保持94.9%的性能；当集成到两端全钙钛矿叠层电池中时，效率达到29.6%（认证效率28.9%），在900小时持续工作后仍保持93.4%的初始效率。这项工作为解决自增强光热-机械降解循环提供了创新方案，为实现锡-铅钙钛矿器件的高结构和运行稳定性开辟了新途径，为下一代光伏技术的商业化应用奠定了坚实基础。
文献来源
Pan, H., Bai, Y., Sun, K. et al. Decoupling photothermal-mechanical degradation through lattice-stabilizing networks in Sn–Pb perovskites and all-perovskite tandem solar cells. Nat. Commun. (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64274-5
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