研究背景
全钙钛矿叠层太阳能电池是光伏领域的一个重要研究方向，因其光电转换效率（PCE）的迅速提升和超越单结太阳能电池详细平衡极限的潜力成为了研究热点。然而，尽管近年来取得了显著进展，全钙钛矿叠层电池在性能和稳定性方面仍面临非辐射复合的问题，尤其是在混合锡-铅（Sn–Pb）低带隙层中，非辐射复合及其随时间的逐步恶化显著限制了器件的性能和稳定性。有鉴于此，加拿大多伦多大学/美国西北大学化学系Edward H. Sargent院士/陈斌助理教授、美国托莱多大学鄢炎发教授团队合作在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Diamine chelates for increased stability in mixed Sn–Pb and all-perovskite tandem solar cells”的最新论文。研究人员发现混合Sn–Pb钙钛矿薄膜存在成分梯度，表面Sn过多会加剧氧化并增加复合速率。为解决这一问题，科学家们提出了利用二胺螯合Sn原子的方法，将其从薄膜表面去除，以实现更平衡的Sn:Pb化学计量比，从而增强薄膜表面的抗氧化能力。此过程将表面不稳定的Sn基材料原位转化为稳定的高电阻的二胺螯合物阻挡层，降低了Sn基薄膜与空气以及C60层的接触面积，有效避免了氧化并减少了界面复合。通过进一步优化螯合物的空间分布，研究团队成功地在混合Sn–Pb钙钛矿太阳能电池中实现了28.8%的PCE，并显著提高了器件的工作稳定性。
研究亮点
1. 实验首次发现与处理Sn–Pb混合钙钛矿薄膜表面成分梯度问题，确定了表面锡过量导致的氧化加剧和复合速率增加现象。2. 实验通过使用二胺螯合处理，去除了薄膜表面的锡原子，实现了更平衡的Sn:Pb化学计量比，显著提高了薄膜的抗氧化能力。通过使用二胺将表面不稳定的Sn基材料原位转化为稳定的二胺螯合物高电阻层，实现了类似于PERC硅电池所使用的selective contact。进一步，通过二胺的空间位阻调控，利用1,2-二氨基丙烷改善了阻挡层的均匀性，从而实现了更均匀的分布和钝化效果。3. 最终结果表明，处理后的钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率达到了28.8%。在一太阳光模拟照明下，封装后的叠层电池在最大功率点操作1000小时后，仍能保持初始效率的90%。
图文解读
总结展望
本文揭示了混合Sn-Pb钙钛矿薄膜中存在的成分梯度对电池性能和稳定性的影响，特别是表面锡含量的过多导致了氧化加剧和复合速率增加这一关键问题。通过引入二胺来优先螯合锡原子，有效地减少了表面锡的含量，改善了Sn:Pb的化学计量比，从而提高了薄膜的抗氧化能力。这种方法不仅形成了高电阻二胺螯合物的selective contact，有效钝化了缺陷，减少了界面复合，还通过使用1,2-二氨基丙烷进一步提升了钝化层的均匀性，显著提高了电池的光电转换效率。研究结果表明，通过合理的化学处理和材料工程，可以大幅提升钙钛矿叠层太阳能电池的性能和长期稳定性，为未来太阳能电池的商业化应用提供了新的技术路径和理论支持。Li, C., Chen, L., Jiang, F. et al. Diamine chelates for increased stability in mixed Sn–Pb and all-perovskite tandem solar cells. Nat Energy (2024).https://doi.org/10.1038/s41560-024-01613-8
作者简介
第一作者李崇文于美国托莱多大学获物理学博士，导师为鄢炎发教授。目前在美国西北大学化学系从事博士后研究工作，合作导师为Edward Sargent教授，担任课题组钙钛矿/Si多结电池组长。研究兴趣为半导体界面物理。研究内容涉及新型半导体材料以及多结器件在光伏和光电催化等领域的应用。曾于高水平期刊发表学术论文。获国家高层次人才计划青年项目资助，拟入职东南大学电子科学与工程学院担任青年首席教授。欢迎有志于从事薄膜光伏，光催化以及光电探测等方向的青年才俊联系咨询博士以及博后事宜，待遇丰厚，一起快乐科研，共同冲击高水平文章。有意者请联系邮箱li.chongwen@outlook.com。谌磊，2023年博士毕业于美国托莱多大学 （导师：鄢炎发教授），目前担任美国国家可再生能源实验室（NREL）博士后研究员，主要从事全钙钛矿叠层电池以及大面积模组研究。博士期间以第一/共一作者在Nat. Energy, Adv. Energy Mater, Adv. Sci, ACS Energy Lett. 等期刊发表学术论文。 蒋方圆，博士毕业于华中科技大学，曾担任WILEY旗下Advanced系列期刊编辑。现在华盛顿大学担任博士后研究员， 主导多项美国能源部和海军研究办公室的科研项目。代表工作为：(i) 制备了全世界首个双电极钙钛矿叠层电池; (ii)溶液法合成了稳定的二维锑基钙钛矿薄膜并取得了该类型电池的最高效率；(iii)为钙钛矿单节和叠层电池研究提供了关键的表征技术，助力合作者取得了创纪录的高效率和稳定性。主要研究兴趣包括新型光电池材料和器件，原位光谱/显微镜技术，以及自动化/人工智能技术。长期担任WILEY, Springer, RSC, ACS 旗下诸多期刊的审稿人。共同第一作者宋肇宁目前在美国托莱多大学物理与天文系担任助理教授并在莱特光伏创新和商业化中心从事薄膜太阳能电池，光电探测器，光电催化制氢，新型半导体器件，和材料物理等方向科研工作。课题组长期招收物理和材料学方向的博士生和博后。有意者请联系邮箱：zhaoning.song@utoledo.edu。
Edward H. Sargent，美国西北大学/多伦多大学教授，加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，加拿大纳米技术领域的首席科学家。主要从事发光和能量转换器件、生物传感以及能源催化剂制备相关的研究工作。鄢教授是美国托莱多大学终身教授，同时也是橡树岭国家实验室和NREL客座科学家。他于1983-1993年在武汉大学获得本科、硕士和博士学位。在20余年的研究中，鄢博士获得一系列国家和国际奖项包括2001年获得美国能源部的青年科技者奖，2007年获得美国可再生能源实验室杰出研究的主任奖，2011年获得被誉为科技界的奥斯卡的“ 研究与发展100”奖，同年推选为美国物理学会会士。鄢博士目前已经发表270余篇国际期刊文章，被邀请撰写6篇综述文章，近期被邀请作大会邀请报告20余次。当前研究课题主要包括：太阳能利用相关的材料、器件结构和应用（光伏、燃料电池、可充电式蓄电池、超级电容器等），理论计算设计能源材料，先进电子显微镜技术于能源领域应用等。
