混合金属硫卤化物合金化甲脒碘化铅钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率提升

研究人员针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)在环境条件下易降解的稳定性难题，通过将三价锑(Sb3+)和二价硫(S2-)合金化到甲脒碘化铅(FAPbI3)晶格中，开发出新型混合金属硫卤化物材料。该研究采用空气环境下的连续沉积工艺，实现了25.07%的功率转换效率(PCE)，未封装器件在1080小时环境储存后仍保持94.9%的初始性能，为商业化应用提供了重要解决方案。

　　

钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为可再生能源领域的明星材料，其认证效率已突破26%，但环境稳定性问题始终是商业化道路上的"阿喀琉斯之踵"。湿度、温度和光照等因素会导致传统钙钛矿材料快速降解，而目前高性能器件大多需要在惰性气体环境中制备，这严重制约了规模化生产。针对这一关键挑战，南京航空航天大学与韩国蔚山国立科学技术研究院的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过独特的金属硫卤化物合金化策略，实现了高效率与高稳定性的完美平衡。

研究团队开创性地将三价锑(Sb³⁺)和二价硫(S^2-)同时引入FAPbI₃晶格，开发出新型混合金属硫卤化物合金材料。通过理论计算与实验验证相结合的方法，采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、掠入射广角X射线散射(GIWAXS)等技术系统表征材料特性，结合电化学阻抗谱(EIS)和时间分辨荧光光谱(TRPL)分析器件性能。特别值得注意的是，所有制备工艺均在环境空气中完成，突破了传统钙钛矿器件对惰性气氛的依赖。

Formation of Sb³⁺ and S^2- alloyed FAPbI₃

理论模拟显示Sb³⁺/S^2-的引入能调节Pb-I键长和I-Pb-I键角，提高晶格容忍因子。实验采用独特的SbCl₃-硫脲(Sb-TU)复合物前驱体，通过连续沉积法在150°C下形成合金化薄膜。X射线光电子能谱(XPS)证实了Sb-S键的存在，而飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)显示元素在薄膜中均匀分布。

Effects of Sb³⁺ and S^2- incorporation on residual stress and crystalline structure

GIXRD分析揭示1.0 mol%掺杂浓度下残余应力最低(10.5 MPa)，较未掺杂样品降低80%。SEM显示掺杂后晶粒尺寸显著增大，原子力显微镜(AFM)证实表面粗糙度降低。HR-TEM观察到(020)晶面间距从0.31 nm增至0.33 nm，表明晶格应变有效弛豫。

Performance of Sb³⁺ and S^2- alloyed FAPbI₃ solar cells

优化器件获得25.07%的PCE(反向扫描)，开路电压(V_OC)达1.15 V，短路电流密度(J_SC)26.48 mA/cm²。TRPL显示载流子寿命从0.82 μs延长至2.1 μs，缺陷激活能从0.138 eV降至0.097 eV。光强依赖性分析表明双分子复合损失减少，这是目前大气环境下制备PSCs的最高效率之一。

Comparative stability analysis

在85%湿度和110°C加速老化实验中，掺杂样品XRD峰位稳定性显著优于对照组。未封装器件在20-40%湿度环境中储存1080小时后保持94.9%初始效率，连续1太阳光照下2160小时仍保持90.9%性能，85°C热测试744小时后效率保持率达90.8%，各项指标均创下大气制备PSCs的新纪录。

该研究通过创新的Sb³⁺/S^2-双元合金化策略，从本质上解决了钙钛矿材料的环境稳定性问题。不同于常见的表面钝化方法，这种晶格工程手段通过增强离子键合能和弛豫晶格应变，实现了材料本征稳定性的突破。特别值得关注的是，所有工艺均在环境空气中完成，这为钙钛矿太阳能电池的大规模工业化生产扫清了关键技术障碍。研究提出的混合金属硫卤化物合金化概念，不仅为新型稳定钙钛矿材料设计提供了范式，也为其他光电器件的稳定性提升开辟了新思路。