钙钛矿太阳能电池，Nature Energy！

米测MeLab

2025-06-12

第一作者：Gabkyung Seo, Jason J. Yoo, Seongsik Nam, Da Seul Lee

通讯作者：Sang Il Seok, Seong Sik Shin

通讯单位：韩国成均馆大学，蔚山科学技术院 

研究要点

本文提出了一种基于过量配体策略的化学浴沉积（CBD）方法，用于制备低缺陷、高均匀性的SnO₂电子传输层（ETL），基于该SnO₂ ETL的钙钛矿太阳能电池（PSC）实现了26.4%的光电转换效率（PCE），大面积模块和碳基PSC的PCE分别达到23%和23.1%，封装器件在连续光照（45°C，1200小时）和湿热条件（85°C/85% RH，900小时）下分别保持92%和86%的初始效率。

研究背景

钙钛矿太阳能电池因其高效率（>25%）和低成本潜力成为下一代光伏技术的研究热点。然而，电子传输层（如SnO₂）的缺陷和复杂的制备工艺限制了其商业化。传统化学浴沉积（CBD）方法存在以下问题：

1. 耗时：传统配体（如硫代乙醇酸，TGA）需6小时才能完成沉积；

2. 缺陷多：不完全氧化导致氧空位缺陷，增加界面复合损失；

3. 覆盖不均：胶体纳米颗粒需高温（>500°C）沉积阻挡层，工艺复杂。

研究思路

1. 过量配体策略的设计

基于传统化学浴沉积（CBD）方法的局限性，作者发展了过量配体策略用于合成低缺陷、高均匀性的SnO₂。

配体选择：用柠檬酸（CA）替代硫代乙醇酸（TGA），因其羧基与Sn的键合较弱，易于调控游离Sn²⁺浓度。

机制调控：通过过量柠檬酸配体抑制“团簇-团簇”（cluster-by-cluster）沉积路径，促进“离子-离子”（ion-by-ion）路径，形成致密薄膜（图1）。

图1. 过量配体策略与传统合成SnO₂的对比

2. 关键实验验证

随后作者利用一系列光谱学技术的表征手段证实了SnO₂的沉积路径与机制，并提出了可能的合成机制（图2）：

沉积动力学：ICP和UV-Vis显示过量配体减少Sn²⁺消耗（14.6% vs. 60.6%），抑制体相沉淀（图1c-d）。

缺陷抑制：XPS和ESR证实过量配体减少Sn²⁺和氧空位（图2b），UPS显示价带顶（VBM）更深，减少界面复合（图2c）。

载流子提取：瞬态吸收（TA）和光致发光量子效率（PLQE）测试表明，过量配体策略制备的WE-SnO₂/钙钛矿界面具有更快的电荷提取和更高的发光效率（24% vs. 8%）（图3）。

图2. 过量配体对缺陷的影响及可能的合成机制

图3. SnO₂/钙钛矿双层结构的光谱特性分析

3. 器件性能优化

最后，作者利用过量配体策略发展得到的SnO₂ ETL用于钙钛矿太阳能电池封装器件的性能优化（图4）： 

高效率：低表面复合速度（5.5 cm/s）和高QFLS（1.217 eV）贡献了高开路电压（V_OC, 1.21 V）和填充因子（FF, 85%）；

规模化应用：大面积模块模块和碳基PSC验证了工艺的可扩展性。

图4. 器件性能和稳定性

小结

本文通过“过量配体策略”解决了SnO₂ ETL的缺陷和效率问题，揭示了配体浓度对沉积动力学和缺陷态的调控机制。26.4%的PCE接近硅电池水平，且工艺时间缩短至1小时，为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了新思路。该策略还可拓展至其他金属氧化物（如TiO₂）的制备。

原文详情

Gabkyung Seo, Jason J. Yoo, Seongsik Nam, Da Seul Lee, Shanshan Gao, Bo Kyung Kim, Sae Jin Sung, Bong Joo Kang, Dane W. deQuilettes, Junho Park, Ji-Sang Park, In Sun Cho, Fabian Rotermund, Sang Il Seok, Seong Sik Shin, Efficient and luminescent perovskite solar cells using defect-suppressed SnO₂ via excess ligand strategy. Nat. Energy (2025), https://doi.org/10.1038/s41560-025-01781-1.