新型SnOx层提升光伏器件性能与寿命！

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池（PSC）是一种新兴的光伏技术，因其在太阳能转换效率（PCE）和制造成本方面的优越性而被广泛应用于光伏领域。与传统的薄膜太阳能材料相比，钙钛矿材料具有优良的光吸收性能和可调节的带隙，能在各种环境条件下展现出良好的能量转换效率。然而，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性问题仍然是其大规模应用的主要障碍，尤其是在湿度、氧气、温度变化和光照等多重环境应力的影响下，设备性能显著下降。

近日，来自香港城市大学化学系朱宗龙副教授团队在钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率方面取得了新进展。该团队设计了一种简化的无富勒烯钙钛矿太阳能电池器件结构，采用氧化锡（SnOx）作为电子传输层（ETL），并通过调节中间层的氧空位缺陷浓度来改善器件性能。通过细致调节氧缺陷，该研究显著减少了钙钛矿与电子传输层之间的负崖状能带偏移，从而降低了载流子提取和传输过程中的能量损失。研究结果显示，调节后的器件效率高达25.1%，且稳定性优越。

在多项标准稳定性测试中，如ISOS-D-1、ISOS-D-3、ISOS-LC-1和ISOS-O-1，未封装设备的衰减幅度小于传统p-i-n设备的十分之一。此外，在65°C的长期最大功率点跟踪（MPPT）稳定性测试中，设备的T95老化寿命超过2000小时，第三方认证的T97稳定寿命也超过了1000小时。这项研究为低成本和可重复的钙钛矿太阳能电池的发展提供了重要的见解，并为实现高效、稳定的光伏技术奠定了基础。

【表征解读】

本文通过多种表征手段揭示了钙钛矿太阳能电池（PSC）中氧空位缺陷的调控对器件性能的影响。利用X射线光电子能谱（XPS）对SnOx薄膜的成分和氧缺陷浓度进行了深入分析，结果显示在不同的原料气体比（TDMASn:H2O）下，SnOx的性质有显著变化，这为后续对电子传输层（ETL）性能的改善提供了依据。此外，采用时间飞行次级离子质谱（TOF-SIMS）技术，对设备在长期稳定性测试前后的结构变化进行了比较，进一步揭示了氧空位缺陷与器件稳定性之间的关系。

针对器件在高温及高湿环境下的稳定性问题，本文通过光致发光（PL）和电致发光（EQE-EL）表征手段研究了SnOx与钙钛矿层之间的界面特性。通过PL映射分析，发现SnOx(i)中引入的氧空位可以有效激活界面载流子，促进电子提取，从而减少能量损失，提高器件的转换效率。这一发现为理解钙钛矿/ETL界面间的相互作用提供了微观机理依据。

此外，通过对器件在不同操作条件下的性能演变进行系统性研究，本文结合国际标准测试（如ISOS-D-1、ISOS-D-3、ISOS-LC-1和ISOS-O-1）获得了不同环境下设备的稳定性数据。通过这些表征手段，作者明确了无封装器件在各种稳定性测试中的衰减幅度显著低于传统的p-i-n器件，表明新设计的器件架构在环境适应性和长期运行稳定性方面具有显著优势。

总之，经过多种表征手段的深入分析，本文系统地探讨了氧空位缺陷在SnOx薄膜中的作用及其对PSC性能的影响，进而为制备高效、稳定的无富勒烯钙钛矿太阳能电池新材料提供了重要的理论依据和实践参考。这一研究不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的发展，也为后续材料的优化和器件设计提供了新的思路。

设备的制造与性能(A) 设备结构的示意图。(B) 不同ALD注量比TDMASn下获得的SnOx薄膜的XPS光谱，H2O固定为20毫秒。a.u.，任意单位。(C) 在不同ALD注量比TDMASn（H2O固定为20毫秒）和不同ALD周期下，SnOx传输层对设备性能的影响。(D) 在不同ALD注量比TDMASn（H2O固定为20毫秒）和变化的ALD周期下，SnOx(i)中间层对设备性能的影响。
(E) 最佳性能SnOx基器件的J-V曲线，结构为ITO/活性层/钝化层/30个周期SnOx(i)（TDMASn的ALD注量比为200:20）中间层/300个周期SnOx（TDMASn的ALD注量比为50:20）/Ag

参考文献：Danpeng Gao et al. ,Long-term stability in perovskite solar cells through atomic layer deposition of tin oxide.Science386,187-192(2024).DOI:10.1126/science.adq8385