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效率高还长寿？浙大薛晶晶团队Joule发文，给出钙钛矿电池的“无机答案” | Cell Press论文速递

2026-02-25 16:22

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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物质科学

Physical science

2月20日，来自浙江大学的薛晶晶教授等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题为“In situ inorganic passivation strategy for high-performance perovskite solar cells”的研究工作。该研究针对有机钝化层在热、光和湿度条件下稳定性不足的问题，提出了一种基于铬酸铵与钙钛矿表面原位反应的无机界面钝化策略，系统揭示了Pb-O-Cr无机钝化层的形成机制及其在缺陷抑制和界面稳定中的关键作用。

研究表明，铬酸铵可在钙钛矿表面发生温和、可控的原位氧化还原反应，从而显著降低界面缺陷密度并抑制非辐射复合。同时，该无机钝化层调控了钙钛矿表面的费米能级位置，使其呈现更明显的n型特征，有利于电子向电子传输层的高效抽取。基于该策略构筑的反式结构钙钛矿太阳能电池实现了高达26.3%的光电转换效率。更为重要的是，钝化后的器件在未封装、氮气环境下的最大功率点连续运行测试中展现出优异的光热稳定性，在AM 1.5G条件下持续照射2750小时后仍保持超过91%的初始效率。该工作为构建稳定、高效的钙钛矿界面提供了一种可规模化的无机钝化新思路，也为推动钙钛矿太阳能电池的长期稳定运行提供了重要参考。

第一作者：桂阳

通讯作者：薛晶晶

单位：浙江大学

研究背景

卤素钙钛矿太阳能电池凭借接近理论极限的光电转换效率和低成本制备优势，被认为是下一代光伏技术的重要候选。然而，在效率不断逼近极限的同时，器件在光、热和湿度等实际运行条件下的长期稳定性仍是制约其走向商业化的核心瓶颈。多晶钙钛矿薄膜作为当前最常用的光吸收层，其表面与界面普遍存在配位不饱和的缺陷位点，这些缺陷不仅诱发严重的非辐射复合，还会加速水氧侵入、离子迁移和结构退化，从而显著缩短器件寿命。

针对上述问题，缺陷钝化已成为提升钙钛矿器件性能与稳定性的关键策略。其中，有机分子因其结构可设计性和良好的初始钝化效果而被广泛应用，但这类钝化层通常依赖较弱的分子间作用力和界面相互作用，在光照、热应力或潮湿环境中容易分解或失效，甚至可能引发新的界面反应，反而削弱器件的长期稳定性。相比之下，无机钝化层具有更高的化学稳定性和更强的键合作用，被认为是实现钙钛矿界面长期稳定的理想选择。

然而，无机钝化往往伴随着反应活性高、界面可控性差等问题，如何在不破坏钙钛矿主体结构的前提下，实现温和、可控且均匀的无机界面构筑，仍缺乏清晰的物理化学图像和有效的实验策略。因此，深入理解钙钛矿表面缺陷的化学本质，并发展基于原位反应的稳定无机钝化机制，是推动高效率与高稳定性钙钛矿太阳能电池协同发展的关键科学问题之一。

本文要点

要点一：原位无机钝化层的形成机制与化学本质

本文首先揭示了铬酸铵参与的原位无机钝化反应机理。在该过程中，Cr6+在钙钛矿表面被还原为稳定的Cr3+，并通过Pb-O-Cr键与钙钛矿晶格形成稳固的无机化学连接。XPS结果显示，最优浓度钝化剂处理的样品中仅检测到Cr3+，而Cr6+仅出现在高浓度钝化条件下，表明该反应在受控条件下可完全进行。AES成像表明，Cr在钙钛矿表面均匀分布，形成连续的无机钝化层。Pb 4f与O 1s峰位向低结合能移动，表明配位不完全的Pb2+缺陷被有效钝化，而该过程不涉及金属Pb的生成。作者认为，该受控氧化还原反应是Pb-O-Cr无机钝化结构形成的核心驱动力，在不破坏钙钛矿体相结构的前提下实现了稳定的表面钝化。

图1 原位无机钝化策略的机理分析

要点二：原位无机钝化策略通过降低陷阱态密度显著改善钙钛矿薄膜与器件的光电性能

作者揭示了原位无机钝化策略能够在不改变钙钛矿晶体质量的前提下，有效抑制非辐射复合。稳态PL测试表明，钝化后薄膜的PL强度明显增强，而发射峰位置与半高宽基本保持不变，说明处理过程未破坏薄膜结晶性。载流子寿命显著延长，表明陷阱辅助复合被有效抑制。在器件层面，TPV测试显示钝化器件具有更长的载流子寿命，TAS、SCLC及PLQY表征结果均表明钙钛矿薄膜中陷阱态密度与缺陷相关复合均得到有效抑制，载流子复合行为得到显著优化。作者认为，均匀的无机钝化层通过稳定界面化学环境，显著改善了钙钛矿薄膜与器件的光电性能。

图2 钙钛矿薄膜和器件的光电性能

要点三：无机钝化层调控能级和提升器件性能

作者通过铬酸铵原位钝化在钙钛矿表面形成均匀的无机层，调节了薄膜的能带结构和表面费米能级。UPS和KPFM结果显示，钝化后钙钛矿薄膜的费米能级变浅、表面电势分布更均匀，呈现更强的n型特性，有利于在钙钛矿/电子传输层界面形成内建电场并促进电子传输，同时抑制空穴流动。SCLC测试显示电子迁移率明显提升，表明载流子传输能力增强。受益于陷阱态密度降低和能级优化，钝化器件的光电转换效率显著提高，最佳器件PCE达到26.3%，同时器件表现出良好的功率输出稳定性和可重复性。该策略在大面积器件及宽带隙钙钛矿器件中同样有效，显示出广泛的适用性。

图3 钙钛矿太阳能电池的能级调控与器件性能

要点四：无机钝化层显著提升钙钛矿薄膜与器件稳定性

作者通过铬酸铵原位钝化在钙钛矿表面形成Pb-O-Cr无机层，提高了薄膜的疏水性并有效抑制水分侵入。高湿（80% RH）环境下XRD表征显示，钝化薄膜的PbI₂生成明显减缓，表明钝化层能够稳定晶格并延缓薄膜降解。经最大功率点光照测试（AM 1.5G, 35°C, 2750 h），钝化器件保持了91%以上的初始PCE，显示出显著增强的热稳定性和操作稳定性。TAS分析进一步表明，钝化器件老化后陷阱态密度几乎无变化，说明无机钝化层通过Pb-O键有效钝化表面缺陷并抑制离子迁移，从而显著提升了钙钛矿太阳能电池在环境应力下的长期稳定性。

图4 钙钛矿薄膜和器件的稳定性

要点五：无机钝化层增强钙钛矿薄膜的光热稳定性

作者通过铬酸铵原位形成的Pb-O-Cr无机钝化层显著提升了钙钛矿薄膜在光热应力下的稳定性。在85 °C、1 sun持续照射条件下，PL mapping显示对照薄膜PL强度快速下降，而钝化薄膜下降幅度明显减缓，表明表面缺陷被有效钝化。XRD分析显示，钝化薄膜PbI2峰增幅较小，说明Pb-O-Cr键稳定了晶格结构。C-AFM测试进一步证明，钝化薄膜在高温作用下的导电性下降幅度更小，暗区出现较少，表明钝化层能够抑制热降解，从而证明了钝化后的钙钛矿薄膜在光热环境下的长期稳定性。

图5 钙钛矿薄膜的光热稳定性

作者介绍

薛晶晶

研究员

薛晶晶，2016年于南京大学取得学士学位，2020年于加州大学洛杉矶分校取得博士学位，于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院、硅及先进半导体材料全国重点实验室。主要从事新型半导体光伏材料与器件研究，先后共发表SCI论文60余篇，其中以第一或通讯作者在Nature、Science、Nat. Photonics、Nat. Chemistry、Nat. Energy、Nat. Rev. Mater.、Nat. Rev. Chem. 等高水平期刊发表学术论文30余篇。多篇论文入选ESI热点和高被引论文，成果曾受到包括Scientific American、Forbes、Physical World等多家国际知名媒体的报道。