巯基功能化介孔二氧化硅支架优化钙钛矿埋底界面提升叠层光伏性能

研究人员针对全钙钛矿叠层太阳能电池中埋底界面存在的结构缺陷和化学反应问题，设计了一种(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPTS)功能化的介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN-SH)超结构。该研究通过调控结晶过程、消除纳米空隙、钝化缺陷并抑制Sn(II)氧化，使锡铅(Sn-Pb)钙钛矿单结电池效率达23.7%，开路电压(VOC)提升至0.89V，最终实现认证效率29.5%的双结叠层器件。该工作为开发高效稳定叠层光伏提供了创新界面工程策略。

　　

在追求超越单结太阳能电池效率极限的道路上，全钙钛矿叠层光伏技术展现出巨大潜力。然而，子电池埋底界面存在的结构缺陷和有害化学反应严重制约着器件性能——尤其是含锡钙钛矿中Sn(II)易氧化、界面纳米空隙形成以及非辐射复合等问题，成为制约效率突破30%的关键瓶颈。更棘手的是，与传统硅基叠层电池不同，全钙钛矿结构中窄带隙(NBG)子电池需要沉积在极其光滑的宽带隙(WBG)子电池表面，这使得界面调控变得异常困难。

针对这一挑战，华中科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地设计了一种(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPTS)功能化的介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN-SH)超结构，通过多重协同机制显著改善了钙钛矿埋底界面质量。这项研究不仅实现了Sn-Pb钙钛矿单结电池23.7%的认证效率，更推动全钙钛矿叠层电池效率达到29.5%，为下一代光伏技术发展树立了新标杆。

研究团队采用了多项关键技术：通过扫描电子显微镜(SEM)和掠入射广角X射线散射(GIWAXS)表征界面形貌与结晶性；利用X射线光电子能谱(XPS)分析Sn(II)氧化状态；采用荧光寿命成像(FLIM)评估界面非辐射复合；结合密度泛函理论(DFT)计算巯基与钙钛矿的相互作用机制；通过温度依赖电导率测试量化离子迁移能垒；并建立机械强度测试平台定量评估界面粘附能。

改善基底接触
研究团队首先发现传统PEDOT:PSS基底上沉积的Sn-Pb钙钛矿薄膜存在大量纳米空隙（直径约900nm）。通过非破坏性剥离技术和SEM观察，证实MSN-SH修饰可完全消除这些空隙，使薄膜底部形成致密结构。掠入射X射线衍射(GIXRD)显示MSN-SH使薄膜残余应力从72.2MPa降至4.6MPa，断裂能从25kJ·m^-3提升至83kJ·m^-3。深度分辨GIWAXS证实修饰后薄膜底部结晶度显著提高，非晶相减少。

增强界面稳定性
DFT计算表明巯基与Pb-I/Sn-I末端结合后，碘空位(V_I)形成能从1.70eV升至2.15eV，碘离子迁移势垒从0.45eV增至0.66eV。温度依赖电导测试显示活化能从0.29eV提升至0.58eV。85℃老化实验证实MSN-SH样品能有效抑制I₂和SnI₄生成，XPS显示Sn(IV)含量从21.8%降至12.6%。

单结器件性能
采用ITO/PEDOT:PSS/MSN-SH/钙钛矿/EDAI₂/C₆₀/BCP/Ag结构，冠军器件获得23.7%效率（稳态23.3%），V_OC达0.887V。电致发光量子效率(EQE_EL)提升13倍至2.61%，非辐射复合损失降低约70mV。85℃老化测试显示MSN-SH器件164小时后仍保持85%初始效率，显著优于对照组的38%。

叠层器件突破
采用Me-4PACz/MSN-SH/WBG钙钛矿(~350nm)/PDAI₂/C₆₀/SnO_x/Au/PEDOT:PSS/MSN-SH/NBG钙钛矿(~900nm)结构，双结叠层电池获得29.6%效率（认证29.5%），V_OC达2.18V。11.3cm²迷你组件效率达24.7%。封装器件在模拟1太阳光照下MPPT测试445小时后保持90%初始效率，85℃热应力150小时后保持82%性能。

这项研究通过创新的巯基功能化介孔支架设计，实现了钙钛矿埋底界面的多维度调控：物理上消除纳米空隙并释放晶格应力，化学上钝化缺陷并抑制离子迁移，电子学上降低非辐射复合。特别值得注意的是，该方法对1.52-1.80eV不同带隙钙钛矿具有普适性，其中1.77eV WBG器件效率达20.6%。研究建立的界面工程策略不仅解决了全钙钛矿叠层电池的关键技术瓶颈，其"超结构-功能基团"协同的设计理念也为其他光电器件的界面优化提供了重要借鉴。