原子级致密Sb2O3界面层提升钙钛矿模组运行稳定性

文章信息 第一作者:成腾, 张莹, 徐子鹏 通讯作者:陈棋, 白阳, 朱城 单位:北京理工大学 研究背景 近年来, 钙钛矿太阳能电池凭借快速提升的光电转换效率, 成为光伏领域最受关注的技术之一. 短短十余年时间, 其效率已突破27%. 在实际光伏工作环境中, 当模组出现局部遮挡(如灰尘, 树影或建筑物阴影)时, 受遮挡电池会处于反向偏压加载状态, 在钙钛矿器件中会引发离子迁移, 电极腐蚀以及器件击穿等, 是亟需验证并解决的稳定性关键问题. 文章简介 近日, 北京理工大学陈棋, 白阳, 朱城团队在国际知名期刊 Nature Photonics 上发表题为 Atomically Dense Sb2O3 Interlayer for Highly Stable Perovskite Photovoltaic Modules 的研究论文. 该研究提出了一种新的分子晶体界面工程策略:在钙钛矿与电子传输层之间引入原子级致密的Sb2O3界面层. 作为一种范德华晶体, Sb2O3所构筑的界面层具有无悬挂键且晶界电学惰性的优势. 此外, 该界面层通过热蒸发沉积形成, 仅数纳米厚, 却能够在钙钛矿表面构建均匀致密的物理屏障, 从而实现界面缺陷钝化, 离子迁移抑制以及器件稳定性的显著提升. 本文要点 要点一:原子级致密界面层构建 研究团队通过热蒸发沉积Sb2O3分子晶体薄膜, 该材料由Sb4O6分子笼通过范德华作用连接, 使其能够在真空条件下稳定升华并形成无悬挂键的致密结构. 多尺度表征(STM, TEM, ToF-SIMS等)表明, 该界面层在原子尺度到模组尺度均表现出高度均匀性, 同时XPS和DFT计算进一步证明Sb2O3能够与钙钛矿表面发生电子相互作用并提高缺陷形成能. 如图1所示, 该薄膜在纳米到宏观尺度均实现一致覆盖与优异的钝化效果, 说明其能够实现跨尺度均匀界面调控并为模组级应用提供基础. 图1 均质Sb2O3薄膜及其与钙钛矿的相互作用 要点二:界面钝化与载流子动力学调控 进一步的光电学表征表明, Sb2O3界面层显著改善了载流子行为. KPFM测试显示表面势降低, 说明缺陷密度减少;稳态与瞬态光谱结果表明非辐射复合被有效抑制, 同时电荷提取效率得到提升;QFLS分析进一步说明, 在引入电子传输层后, Sb2O3能够恢复界面能级分裂, 从而抑制界面复合损失. 此外, 在光照, 热及湿度条件下, Sb2O3均显著延缓了钙钛矿分解过程, 提高材料稳定性. 图2 钙钛矿薄膜的光电性能和稳定性 要点三:器件效率与运行稳定性 在器件性能方面, 引入Sb2O3后单结电池认证效率达27. 3%, 微型模组认证效率达到23. 1%(62. 37 cm2), 并在最大功率点运行1000小时后仍保持96. 4%效率, 同时界面层还能有效缓解激光划线带来的边缘损伤, 从而提升微型模组一致性与可靠性;如图3所示, 器件的J–V特性, 单结在多环境下的稳定性, 模组的输出性能及长期MPP跟踪结果均得到提升, 表明Sb2O3界面层能够在器件与模组尺度同时实现效率与运行稳定性的协同优化. 图3 光伏性能和运行稳定性 要点四:反向偏压稳定机制 在反向偏压加载下, 钙钛矿中的离子迁移与金属扩散通常会形成导电通道并导致器件失效, 而Sb2O3界面层能够通过构建致密物理屏障并引入额外能垒, 有效抑制电子隧穿及离子迁移过程, 从而显著降低漏电流并提高器件抗击穿能力, 使反向击穿电压提升至22. 3 V(第三方认证);理论模拟结果结合反向偏压老化的器件效率变化趋势共同表明该界面层可显著抑制界面失效过程. 模组在遮挡测试中实现1510小时仍保持91. 2%初始效率, 证明其在实际运行条件下优异的反向偏压稳定性. 图4 反向偏置下器件和模组的耐久性 文章链接 Atomically Dense Sb2O3 Interlayer for Highly Stable Perovskite Photovoltaic Modules https://www. nature. com/articles/s41566-026-01893-4 通讯作者介绍 陈 棋 北京理工大学前沿交叉科学研究院教授 陈棋, 现北京理工大学前沿交叉科学研究院教授/院长, 博士生导师. 本科与硕士毕业于清华大学, 博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校(UCLA), 加州大学洛杉矶分校纳米研究中心博士后. 先后入选教育部国家级领军人才(2024), 北京市自然科学基金杰出青年基金(2019), 中组部“海外高层次人才计划”青年项目(2016). 2025年凭借在钙钛矿光伏领域的系统性创新, 获第四届美团青山科技奖. 主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究, 材料广泛应用于能源, 光电等领域, 具体包括太阳能电池, 储能电池, 传感器, 探测器等各类新型光电功能化器件. 特别是围绕有机/无机杂化的钙钛矿太阳能电池, 在吸光层材料溶液生长制备, 新型低维发光钙钛矿材料设计合成, 新型封装材料和工艺开发, 多层薄膜应力-应变调控, 界面修饰改性等方面开展了系统性的研究工作, 积累了丰富的关于钙钛矿材料的合成, 性质表征及优化方面的经验. 迄今以一作/通讯作者发在Science, J. Am. Chem. Soc. , Nat. Commun. , Angew. Chem. Int. ed. , Adv. Mater. , 等权威期刊发表SCI论文150余篇, H-Index 84, 总引用40000余次, 多年入选“科睿唯安全球高被引科学家”. 白 阳 北京理工大学材料学院长聘副教授 白阳, 北京理工大学材料学院长聘副教授, 博士生导师. 本科毕业于北京航空航天大学应用化学专业, 2017年获得香港科技大学化学博士学位, 随后在香港科技大学从事博士后研究, 并于2018年加入北京理工大学陈棋课题组. 研究方向聚焦新能源材料, 特别是钙钛矿太阳能电池及有机无机杂化材料, 致力于材料生长技术与器件稳定性提升. 面向高校稳定大面积钙钛矿模组的应用需求, 他开发了钙钛矿薄膜体相均一性调控方法, 提出了基于蒸汽处理的薄膜改性策略等. 目前, 已在Science, Nature Photonics, Angewandte Chemie和Advanced Materials等期刊上发表SCI论文100余篇, 总引用超过14000次, H因子56. 研究人入选斯坦福大学2023全球前2%顶尖科学家榜单, 并担任中国计量测试学会离子与原子探针专业委员会委员等多个学术职务. 朱 城 北京理工大学前沿交叉科学研究院长聘副教授 朱城, 北理工前沿交叉科学研究院长聘副教授, 博士生导师, 曾获北理工最高荣誉奖学金—徐特立奖学金. 研究人面向卫星太阳翼, 临空浮空器和长航时无人机等空天应用平台, 聚焦空天光伏在极端服役环境下对能量转换效率与长期稳定性的极致要求, 系统开展有机-无机杂化钙钛矿半导体材料与太阳能电池的可靠性探索. 研制产品已在国家级临空, 太空平台(天宫空间站)上开展材料与器件的临近/在轨空间暴露与实证. 其着眼于钙钛矿光伏电池“效率-稳定性”协同提升的核心难点, 围绕钙钛矿材料微结构与光电响应多层次构效关系, 探索多场耦合环境下材料退化机制与光伏器件失效分析, 开发了材料取向演化, 应力-应变调控及界面修饰等策略系统改良载流子动力学行为与器件稳定性, 相关研究成果已发表学术论文40余篇, 以第一/通讯作者(含共)在Nature photonics, Nature Communications, Joule, Advanced Materials, ACS Energy Letter, ACS Nano等杂志中发表SCI论文20余篇, 论文总引用超6000次, H因子39. 在中国卓越行动计划高起点期刊Exploration担任青年编委, 担任国际著名期刊Nature, Nature energy等独立审稿人.