北京理工大学，Nature Photonics！

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编辑丨风云

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去15年取得了显著进展，认证效率已超过27%。

关键问题

目前，钙钛矿太阳能电池的应用主要存在以下问题：

1、大面积制备的均匀性瓶颈

钙钛矿薄膜在形貌、成分上具有多尺度异质性，现有的钝化方法（如溶液法）难以在模块尺度上均匀沉积数纳米厚的钝化层，且钝化剂在光热应力下容易脱落失效。

2、反向偏压下的耐用性挑战

钙钛矿的离子晶体性质使其对反向偏压极其敏感，局部遮挡引发的高反向电压会诱导金属丝形成和电击穿，目前缺乏能有效抑制此类损伤且具备量产可行性的界面策略。

新思路

有鉴于此，北京理工大学朱城、白阳、陈棋等人利用可扩展的热蒸发技术，在钙钛矿/电子传输层界面开发了一种范德华氧化锑(Sb₂O₃)中间层。得益于其二维分子晶体结构，该中间层形成了原子级致密的物理屏障，可有效钝化陷阱态、抑制界面离子迁移并增强电气鲁棒性。具有Sb₂O₃中间层的器件实现了27.3%的认证功率转换效率(PCE)，并表现出-22.3 V的高反向偏压电阻。作者展示了面积为62.37 cm²、认证PCE为23.1%的太阳能组件。在65 ± 5 °C的温度下进行1,000小时的最大功率点跟踪后，它们保留了初始PCE的96.4%。在65 ± 5 °C下进行1,510小时的遮蔽测试后，这些组件还保持了初始PCE的91.2%。该策略为提高钙钛矿太阳能电池的反向偏压稳定性提供了一种有效的方法，并为其在光伏组件中的实际应用铺平了道路。

技术方案：

1、实现了原子级均匀界面

Sb₂O₃凭借范德华分子结构实现原子级致密、大面积高度均匀的薄膜覆盖，提供有效的化学钝化。

2、证实了卓越的光电保护性能

证实了显著抑制的界面非辐射复合，提升了载流子提取效率，并在光、热、水环境下表现出极强的相稳定性。

3、展示了高反向偏压鲁棒性

器件实现了-22.3 V高击穿电压，有效阻止离子扩散，使组件在严苛的高温遮挡测试下表现出卓越的长寿命。

技术优势：

1、设计了创新性界面材料

本文首次引入具有范德华分子晶体结构的Sb₂O₃作为中间层，通过热蒸发形成了原子级致密且多尺度均匀的物理屏障。

2、实现了卓越的反向偏压抗性

器件实现了认证的-22.3 V高反向击穿电压，且大面积组件（62.37 cm²）在严苛的阴影测试（65°C）下表现出极佳的耐久性。

技术细节

均质Sb₂O₃薄膜及其与钙钛矿的相互作用

研究人员利用热蒸发技术沉积了Sb₂O₃薄膜。与传统氧化物不同，Sb₂O₃由Sb₄O₆分子笼通过范德华力连接，这种弱相互作用允许其在真空下升华并保持化学键完整，从而获得无悬挂键的晶界，避免引入缺陷。通过STM和TEM观测，证实该薄膜在原子尺度上具有周期性排列且覆盖均匀。在宏观尺度上，100×100 mm²范围内的准费米能级分裂（QFLS）测量显示其分布高度集中（约1.20 eV），优于传统的聚合物或离子盐钝化材料，证明了其在大面积制备中的卓越均匀性。在化学作用方面，XPS分析发现Sb₂O₃与钙钛矿接触后，Sb 3d峰向高结合能移动，而Pb 4f峰向低结合能移动，表明Sb₂O₃向钙钛矿捐献了电子，实现了界面钝化。DFT计算进一步验证，Sb₂O₃中的氧原子倾向于与配位不足的Pb原子结合（形成能-0.52 eV），显著降低了导带底和价带顶附近的陷阱态密度。同时，Sb₂O₃增加了Pb和I空位的形成能，从热力学角度增强了钙钛矿表面的稳定性，抑制了离子迁移。

图  Sb₂O₃薄膜的均匀性

钙钛矿薄膜的光电性能及稳定性

引入Sb₂O₃中间层显著改善了钙钛矿薄膜的光电性能。KPFM测试显示表面电位从500 mV降至400 mV，表明表面缺陷得到消除，抑制了载流子积累和非辐射复合。稳态荧光（PL）强度提升了2.12倍，且瞬态吸收光谱证实Sb₂O₃减少了浅陷阱态，使电荷向C₆₀的提取效率更高。在引入C₆₀后，传统界面的QFLS会显著下降，而Sb₂O₃使QFLS恢复至1.19 eV，接近纯钙钛矿水平，证明其极佳的界面复合抑制能力。在环境稳定性方面，Sb₂O₃层表现出强大的保护作用。在连续光照下，对照组3天内即出现PbI₂分解，而Sb₂O₃薄膜保持晶体完整达30天。在85°C热老化和50%相对湿度的严苛条件下，致密的Sb₂O₃层有效屏蔽了水分和热量的侵蚀，使薄膜保持相稳定，且QFLS值保持恒定。这种出色的保护作用直接转化为器件性能的提升，冠军小面积电池实现了27.3%的认证效率，且磁滞现象显著减少，开路电压和填充因子均大幅增强。

图  钙钛矿薄膜的光电性能及稳定性

图  光伏性能及运行稳定性

器件和模块在反向偏压下的耐用性

Sb₂O₃中间层最突出的贡献在于增强了器件对反向偏压的耐受力。实验测得器件的反向击穿电压（Vrb）达到了-22.3 V，这足以应对20个子电池串联时的遮挡应力。数值模拟揭示，Sb₂O₃由于具有宽带隙，形成了一个强大的能量势垒，有效抑制了反向偏压下的载流子隧穿。此外，ToF-SIMS深度剖面显示，在反向偏压老化后，Sb₂O₃层显著阻止了碘离子向电极迁移以及金属原子的向内扩散，维持了界面的化学完整性。在实际应用层面，62.37 cm²的钙钛矿组件实现了23.1%的认证效率。Sb₂O₃不仅提升了效率，还缓解了激光刻蚀（P1-P3）带来的边缘损伤，使刻蚀区域的QFLS值恢复至与活性区一致。在稳定性测试中，Sb₂O₃组件在65°C的高温最大功率点跟踪下运行1,000小时后仍保留96.4%的初始效率。最关键的阴影测试显示，在65°C高温且部分遮蔽1,510小时后，组件仍维持91.2%的效率，而对照组在120小时内便衰减了20%，彰显了其在极端运行条件下的实用性。

图  器件和模块在反向偏压下的耐用性

展望

本研究通过热蒸发制备的范德华Sb₂O₃中间层，成功解决了钙钛矿光伏组件在大面积均匀性和反向偏压耐受性方面的核心挑战。该策略不仅将电池和组件效率分别提升至27.3%和23.1%，更在极端环境下验证了其长期运行的可靠性，为钙钛矿光伏技术的工业化量产提供了一种兼具高性能与高可行性的界面工程方案。

参考文献：

Cheng, T., Zhang, Y., Xu, Z. et al. Atomically dense Sb2O3 interlayer for highly stable perovskite photovoltaic modules. Nat. Photon. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41566-026-01893-4