组内研报
Original Research
论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01775-4
无空穴传输层（HTL）的碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）因其优异的稳定性和简易的制备工艺，在商业化方面具有巨大潜力。然而，界面缺陷引发的非辐射复合导致严重开路电压（Voc）损失，制约其功率转换效率（PCE）提升。
针对此问题，河北工业大学层状材料与器件研究团队于2025年4月在国际权威期刊Nano-Micro Letters上在线发表了题为“Reducing the Voc Loss of Hole Transport Layer-Free Carbon-Based Perovskite Solar Cells via Dual Interfacial Passivation”的重磅研究性论文。通讯作者为河北工业大学的郑士建教授、吴存存副教授、张阳洋副教授及北京大学肖立新教授。本研究采用碳酸锂（Li2CO3）来修饰无HTL C-PSCs的共形氧化锡电子传输层。Li2CO3修饰可增强电子传输层/钙钛矿界面处的电荷提取并优化能量排列，同时Li2CO3可诱导钙钛矿层中MA反应并在晶界处形成碘化铅（PbI2），实现钙钛矿膜上界面和晶界缺陷钝化。改性后器件Voc提升至1.142 V，标准光照下PCE达19.1%，更在2000 lux、3000 K的LED光照下实现33.2%的PCE。本研究为低成本、高效率碳基钙钛矿电池制备提供了实用化技术路径。
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借光吸收系数高、载流子扩散长度长等优势成为下一代光伏技术研究热点，其认证PCE已达27%以上，接近单晶硅电池水平，但长期运行稳定性差的问题严重阻碍商业化发展。无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）因低成本、制备工艺简单、稳定性好等优势，被认为是最具产业化潜力的钙钛矿电池结构之一。然而，其PCE远低于含HTL PSCs，核心原因是埋底界面（ETL/钙钛矿）和上界面（钙钛矿/碳）的非辐射复合导致严重的Voc损失。
现有优化策略多聚焦于钙钛矿/碳界面改性（如沉积2D钙钛矿钝化层、设计双层碳电极等），对ETL/钙钛矿界面的优化研究较少，且尚未实现双界面的协同钝化，Voc损耗问题仍未得到有效解决。因此，开发能同时钝化钙钛矿上界面和埋底界面的策略，是提升无HTL C-PSCs性能的关键课题。
该研究是在共形氧化锡（C−SnO2）电子传输层表面旋涂Li2CO3水溶液，并通过调控Li2CO3的浓度，实现对电子传输层/钙钛矿界面与钙钛矿/碳界面的协同调控。
为探明Li2CO3的双界面钝化作用机制，该研究结合XPS/UPS化学态与能级分析、KPFM表面电势测试、SEM/AFM微观形貌表征、PL/TRPL测试，深入揭示了Li2CO3对电子传输层导电性优化、界面能级匹配调控及钙钛矿晶界缺陷钝化的多重作用机理。通过J-V曲线测试器件在标准光照和弱光照下的光伏性能，并对未封装器件进行长期存储和连续光照稳定性测试。
图1：无HTL C-PSCs钙钛矿/碳界面的非辐射复合。
钙钛矿层表面及晶界处的缺陷，会加剧界面陷阱引发的空穴与反向转移电子之间的非辐射复合，进而导致大量的能量损失。共聚焦显微荧光成像显示，晶界处的发光强度通常低于晶粒内部，这表明晶界处的载流子浓度降低。在钙钛矿薄膜表面沉积高导电性电极后，载流子寿命骤降一个数量级，这表明在钙钛矿/电极界面处，载流子的淬灭速度较快，这可能是由于晶界处和表面处的陷阱引发的非辐射复合所致。这些结果凸显了钝化钙钛矿/电极界面对提高无HTL C-PSCs器件性能的重要性。
图2：C-SnO2和Li2CO3@C-SnO2电子传输层的制备与表征。
XPS与UPS测试表明，Li2CO3修饰减少SnO2表面缺陷，电子传输层功函数从4.43 eV降至4.25 eV，与钙钛矿的能级更加匹配。
图3：Li2CO3改性对钙钛矿埋底界面的调控作用。
SEM与PL成像表征显示，改性后钙钛矿埋底界面晶粒有所减小，PL强度和寿命均显著增强，这一现象表明Li2CO3修饰有效钝化了电子传输层/钙钛矿界面缺陷，降低了非辐射复合引起的能量损失。
图4：Li2CO3改性对钙钛矿上界面的调控作用。
SEM、XRD及GIWAXS表征显示，经Li2CO3修饰后，钙钛矿上界面处PbI2增多。上界面形成的PbI2不仅可以钝化晶界缺陷，抑制非辐射复合，还可以有效地抑制电子从钙钛矿向碳电极的逆向转移，这对于提升电池整体的光伏性能大有裨益。
图5：C-PSCs的光伏性能与稳定性。
光伏参数统计与J-V曲线显示，3 mg/mL Li2CO3改性器件性能最优，PCE从17.7% 提升至19.1%，Voc达1.142 V。未封装改性器件在环境条件下表现出出色的长期稳定性。
图6：C-PSCs的弱光光伏性能测试。
不同光照强度J-V曲线测试显示，器件PCE随光照强度降低呈上升趋势。在2000 lux、3000 K的LED光照下实现33.2%的PCE。
图7：界面钝化机理表征。
KPFM、PL、TRPL及Mott-Schottky测试证实，改性器件载流子分离效率显著提升，界面缺陷被有效钝化，内建电势从0.91 V提升至1.00 V，更强的内建电场为载流子分离提供更大驱动力，进一步抑制复合。
本研究提出Li2CO3双界面钝化策略，减少了无HTL型C-PSCs的Voc损失，通过钝化电子传输层/钙钛矿、钙钛矿/碳双界面，实现器件PCE、稳定性与弱光性能的同步提升，且该修饰工艺简单、成本低，适配规模化制备。
团 队 介 绍
河北工业大学层状材料与器件团队自2019年成立以来，形成“厚积成材、循层渐进”的教育理念，培养了大批青年人才和优秀学子，荣获河北省高校首批黄大年式教师团队等荣誉称号。研究团队所在的材料学科是河北工业大学“世界一流学科”的三个支撑学科之一，团队拥有结构材料（3D打印、熔炼、轧制、热处理、力学性能测试等设备）和功能材料（真空磁控溅射系统、多层软包电池生产线、光伏组件制备系统等）完整制备平台，以及球差校正透射电子显微镜、原位样品杆以及双束加工系统、光伏组件表征系统等先进分析测试平台。团队累计发表Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Acta Materialia等高水平期刊论文100多篇，授权发明专利10余项，获批国家自然科学基金（青年科学基金项目（A类）、区域联合重点项目、面上项目、青年基金）、河北省自然科学基金（重点项目、青年项目）、中央引导地方项目等30余项，承担河钢集团、中伟新材料股份有限公司等企业项目20余项。
本文推送内容基于河北工业大学层状材料与器件团队已发表的研究成果整理而成，相关论文已正式发表于【Nano-Micro Letters】。本文仅对论文核心内容进行简要介绍与解读，旨在促进学术交流与成果传播。受篇幅及表述方式所限，相关内容未能完全覆盖论文全部细节，具体研究方法与结果请以论文原文为准。论文版权归期刊或出版社所有。欢迎转载与分享本文推送内容，请在显著位置注明出处并保留原文链接。感谢您的关注与支持，让我们共同助力材料学科的发展。
图文供稿 | 张 贤
本期编辑 | 张 贤
本期审稿 | 吴存存 刘方舟
