界面分子锚定技术实现环境空气下全刀涂钙钛矿太阳能模组的突破性效率

针对钙钛矿太阳能电池（PSCs）规模化制备中SnO2 缓冲层纳米粒子聚集导致的界面缺陷问题，中国科学院团队创新性引入四甲基氯化铵（TMACL）作为"分子胶水"，通过稳定SnO2 胶体溶液和锚定钙钛矿晶格终端原子，实现了26.11%的刚性电池效率（认证模块效率21.60%）和1500小时稳定性，为全刀涂工业化生产提供了关键技术方案。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池（PSCs）近十年实现了从19.3%到26.7%的效率飞跃，但商业化进程仍面临制造工艺、稳定性和规模化生产的挑战。传统旋涂法难以满足工业化需求，而更具前景的刀涂技术却受限于SnO₂
电子传输层（ETL）的纳米粒子聚集问题——这会导致界面缺陷、晶格失配和电荷复合，最终造成器件性能衰减。更棘手的是，环境空气条件下的制备会加剧这些界面问题，使得全刀涂工艺的模块效率长期停滞在20%以下。

中国科学院大连化学物理研究所的Dong Yang团队在《Joule》发表的研究中，创新性地将工业常用试剂四甲基氯化铵（TMACL）引入SnO₂
胶体溶液，通过其四面体结构的季铵盐特性，在SnO₂
纳米粒子间建立"分子锚定"作用，同步解决了胶体稳定性、界面缺陷钝化和钙钛矿晶体取向控制三大难题。这项研究不仅实现了26.11%的刚性电池效率（认证模块效率21.60%），更首次将全刀涂三明治结构（ETL/钙钛矿/空穴传输层）模块效率提升至22.76%，为工业化生产提供了可量产的解决方案。

研究团队采用多尺度表征与理论计算相结合的方法：通过第一性原理计算验证TMACL对钙钛矿空位缺陷的抑制作用；利用剪切流变仪分析胶体流变特性；结合GIWAXS（掠入射广角X射线散射）和HRTEM（高分辨透射电镜）解析晶体取向；采用SCLC（空间电荷限制电流）法量化缺陷密度；最终通过ISOS标准测试验证器件稳定性。所有实验均在环境空气条件下完成，显著提升了工艺实用性。

【TMACL在SnO₂
/钙钛矿界面的锚定作用】
理论计算显示，TMACL使碘空位（I-F）形成能从0.83 eV升至3.04 eV，铅空位（Pb）从2.32 eV增至3.27 eV。电荷密度差分图显示电子重分布区域（黄色）更集中，证实TMACL通过静电作用稳定SnO₂
表面氧原子，同时其甲基基团与钙钛矿[PbI₃
]亚晶格形成键合，实现原子级界面连接。

【稳定的TMACL-SnO₂
胶体与均匀湿膜形成】
流变测试显示TMACL使胶体粘度从0.82 mPa·s提升至0.93 mPa·s，接触角从26.3°降至11.6°。XPS证实Sn 3d结合能从494.79 eV移至494.94 eV，UPS显示导带偏移从0.11 eV降至0.01 eV，这些变化协同提高了ETL的电荷提取效率。

【环境空气下的TMACL-钙钛矿调控】
GIWAXS显示TMACL处理样品（00l）晶面散射强度提升3倍。HRTEM统计显示晶粒尺寸从607 nm增至877 nm，SAED图谱从多晶衍射环转变为清晰单晶斑点，证实TMACL诱导的取向生长。SCLC测试测得缺陷密度从3.96×10¹⁵
cm^-3
降至2.40×10¹⁵
cm^-3
。

【全刀涂太阳能电池与模组的纪录效率】
三明治结构器件（0.1 cm²
）获得26.11%效率（V_OC
=1.22 V，FF=82.53%），57.20 cm²
模组认证效率21.60%。柔性器件在500次弯曲后仍保持95.30%初始效率，ISOS-O测试显示未封装器件在1500小时后效率保持率93.25%，65°C热老化1008小时后保持85.19%。

这项研究通过分子尺度的界面工程设计，实现了从胶体稳定性、薄膜形貌到器件性能的多级调控。TMACL的双重锚定机制——既固定SnO₂
纳米粒子又连接钙钛矿晶格，创造了无缝的阴极异质结。特别值得注意的是，所有工艺均在环境空气条件下完成，且TMACL作为工业廉价化学品（常用于水力压裂杀菌剂），其成本优势使每瓦组件成本可降低0.02美元。该工作不仅刷新了全刀涂PSCs的效率纪录，更建立了从实验室到工厂的技术桥梁，为钙钛矿光伏的产业化提供了可复制的技术范式。