论文概览

全钙钛矿叠层太阳能电池是突破单结Shockley-Queisser极限的重要路径，然而宽带隙（WBG）子电池的界面非辐射复合和金属氧化物电子传输层（ETL）的大面积均匀成膜问题严重制约了器件性能。传统富勒烯衍生物（如C₆₀、PCBM）虽被广泛使用，但存在热稳定性差、寄生吸收强等缺陷。

针对上述难题，南开大学李跃龙团队创新性地开发了一种可在2,2,2-三氟乙醇（TFEA）中优异分散的超小SnOₓ纳米颗粒（5-10 nm），并首次将其作为倒置结构宽带隙钙钛矿太阳能电池的ETL。通过引入超薄PCBM中间层构筑PCBM/SnOₓ双层ETL，有效抑制了钙钛矿/SnOₓ界面的非辐射复合，优化了能级排列。最终，带隙为1.77 eV的倒置宽带隙PSC获得了20.15% 的光电转换效率，同时开路电压（VOC）高达1.34 V，这是目前基于溶液法金属氧化物电荷传输层的倒置宽带隙PSC的最高效率。将该子电池与窄带隙锡铅（Sn-Pb）钙钛矿子电池组合，两端全钙钛矿叠层太阳能电池实现了28.43% 的冠军效率（认证效率28.34%），且未封装器件在55°C连续最大功率点跟踪1000小时后仍保持80%以上初始效率，展现出优异的运行稳定性。

技术亮点

“超小尺寸”SnOₓ纳米颗粒的精准合成： 通过调控水热反应中SnCl₄·5H₂O浓度（0.9 mM），合成了尺寸仅为5-10 nm、结晶性良好的SnOₓ纳米颗粒。其在TFEA溶剂中展现出优异的胶体稳定性（高Zeta电位、明显丁达尔效应），避免了传统水相分散液对钙钛薄膜的破坏，实现了均匀致密的ETL成膜。

“PCBM/SnOₓ”双层界面钝化策略： 创新性地在钙钛矿与SnOₓ之间插入超薄PCBM层（~10 nm）。该中间层不仅钝化了钙钛矿表面缺陷，还通过能级优化促进了电子提取，将界面非辐射复合大幅抑制——光致发光量子产率（PLQY）从0.87%提升至6.88%，准费米能级分裂（QFLS）从1.16 V提升至1.35 V。

创纪录的Voc与高效率： 基于PCBM/SnOₓ双层ETL，1.77 eV倒置宽带隙PSC实现了1.34 V的超高开路电压（对应电压损失仅0.43 V）和20.15%的效率，两项指标均为溶液法金属氧化物ETL体系中的最佳值。

全钙钛矿叠层器件验证： 将优化后的宽带隙子电池（~1.77 eV）与窄带隙Sn-Pb子电池（~1.22 eV）机械堆叠，构筑两端全钙钛矿叠层电池。得益于SnOₓ ETL的高透过率和PCBM中间层的界面优化，叠层器件实现了28.43% 的效率（认证28.34%），且T90寿命超过480小时。

研究意义

· 突破无机ETL成膜瓶颈：首次实现了在醇类溶剂（TFEA）中高度分散的超小SnOₓ纳米颗粒，解决了溶液法金属氧化物ETL直接沉积在钙钛矿上的界面损伤和均匀性问题。

· 刷新倒置宽带隙PSC记录：在1.77 eV带隙下获得20.15%效率和1.34 V Voc，均为同类型（溶液法金属氧化物电荷传输层）器件的最高值，为宽带隙子电池提供了新的技术标杆。

· 高效稳定的全钙钛矿叠层：将PCBM/SnOₓ策略应用于两端叠层，实现了28.34%认证效率，且器件在连续光照和热应力下表现出优异稳定性（55°C MPPT 1000h后效率保持>80%），为商业化叠层组件提供了可靠方案。

· 提供普适性策略：该PCBM/SnOₓ双层ETL结构在1.55 eV和1.67 eV带隙的倒置PSC中也显著提升了性能，证明了其在多种带隙体系中的广泛适用性。

结论展望

本研究通过精准合成超小SnOₓ纳米颗粒并开发PCBM/SnOₓ双层电子传输层，成功解决了倒置宽带隙钙钛矿太阳能电池中金属氧化物ETL成膜差、界面非辐射复合严重的关键难题。超小SnOₓ颗粒在TFEA中的优异分散性使其能够在不损伤钙钛矿层的前提下形成致密、高导的薄膜；超薄PCBM中间层进一步钝化界面缺陷、优化能级排列，将QFLS提升至1.35 eV。最终，1.77 eV倒置宽带隙PSC实现了20.15% 效率（Voc 1.34 V），为同类体系最高值。将该策略应用于两端全钙钛矿叠层电池，获得了28.43% 的冠军效率（认证28.34%），且器件展现出优异的热稳定性和光稳定性。这项工作为溶液法金属氧化物电荷传输层在高性能、高稳定性钙钛矿光伏中的应用开辟了新道路。

文献来源

Zhang, X., Li, X., Zhang, Z., et al. "Solution-Processed SnOₓ Layers of an Inverted Wide-Bandgap Perovskite Sub-Cell Enable 28.43%-Efficient All-Perovskite Tandem Photovoltaics."ACS Energy Letters, 2026.

论文地址：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c00227

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来源:先进光伏