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过去的十年中，有机金属卤化物钙钛矿材料（ABX3）已崭露头角，成为光伏技术中前景光明的吸光材料选择。为了实现窄带隙（NBG）的单结太阳能电池，以及全钙钛矿串联的子电池，铅（Pb）和锡（Sn）已被用于合金化B位金属离子，位于1.1–1.4 eV范围内。然而，由于Sn易氧化，制备高效且稳定的NBG锡铅（Sn-Pb）钙钛矿太阳能电池（PSCs）仍然面临巨大挑战，导致p型自掺杂、载流子寿命短，以及器件性能下降。为了应对这一问题，已经提出了各种策略，包括在器件制造过程中使用多种添加剂，以提升混合Sn-Pb PSC的性能。通过对NBG混合Sn-Pb亚电池和宽带隙（WBG）子电池进行优化，已实现了全钙钛矿串联电池的创纪录性能。然而，由于全钙钛矿串联电池中的锡铅混合（Sn-Pb）子电池表现不佳且存在稳定性问题，目前这些电池的实际应用受到了阻碍。

在本研究中， 武汉大学 柯维俊教授 和 方国家教授 将重点放在窄带隙子电池上，并为它们开发了一种一体化掺杂策略。 作者在聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)底层和体钛矿层中引入天冬氨酸盐（AspCl），然后再进行一次 AspCl 后处理 。研究表明， 单一的 AspCl 添加剂就能有效地钝化缺陷、减少 Sn ⁴⁺  杂质并移动费米能级 。此外，AspCl-Sn/Pb 碘化物 和 AspCl-AspCl 的强分子键可以强化结构，从而提高 Sn-Pb 包钛矿的稳定性。最终，在锑铅钛矿太阳能电池中掺入 AspCl 后，单结电池的功率 转换效率达到 22.46%，串联电池的功率转换效率达到 27.84%（稳定效率为 27.62%，认证效率为 27.34%），在充满 N ₂  的手套箱中存放 2,000 小时后，电池的保留率达到 95%。 相关成果以“Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems”为题发表在《Nature》上，第一作者为 周顺，Shiqiang Fu 和  王成 为共同一作。

天冬氨酸一体掺杂机制

作者将手性天冬氨酸盐（AspCl）分子掺入底部PEDOT:PSS（PEDOT）、中间钙钛矿吸光层（Bulk）和顶部封顶层（POST）（图 1a），从而开发出一种一体化的 Sn-Pb PSCs 掺杂方法。AspCl 分子由三个功能分子组成（图 1b）。 Cl ^-  阴离子可抑制碘空位的形成，氨基可与 I ^-  配位以减少陷阱态并抑制碘离子的迁移，羧基可与铅和锡离子配位以抑制钙钛矿的分解。此外，两个 AspCl 分子中的氨基和羧基可以通过分子间氢键在钙钛矿薄膜的主体以及钙钛矿/底部空穴传输层（HTL）和钙钛矿/顶部盖层的界面上相互结合。 因此，这种 AspCl 掺杂策略为钙钛矿建立了一个内部分子锁（图 1c），可以有效地钝化表面缺陷，提高器件稳定性。实验结果表明，AspCl掺入可以显著提高器件性能，其中集成PEDOT+POST+Bulk AspCl改性的器件表现出最佳性能

图1：NBG Sn-Pb钙钛矿中AspCl的制备及机理

NBG Sn–Pb钙钛矿的表征

然后，作者进行了一系列表征，以研究性能提升的因素。首先通过扫描电子显微镜 (SEM) 测量评估了薄膜的形态。所有薄膜的晶粒尺寸相似，但晶界存在明显差异。对照薄膜在晶界处显示出明亮的颗粒，主要是由于 PbI ₂  含量过高。其他三个样品都没有出现 PbI ₂  过量的现象，这对提高器件性能是有益的，因为如果钙钛矿薄膜中没有过量的 PbI ₂ ，就会减少滞后行为，提高器件稳定性。

X 射线衍射 (XRD)表明 AspCl 没有改变晶体结构。引入 AspCl 可以缓解钙钛矿薄膜中 PbI ₂  的剩余存在。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）结果显示，虽然 O ^-  和 Cl ^-  分布在整个钙钛矿薄膜中（图 2d、e），但它们主要集中在顶部和底部界面，因为 AspCl ^- SnI2/PbI2 和 AspCl-AspCl 的键合很强。X 射线光电子能谱（XPS）表明Sn ²⁺  和 Sn ⁴⁺  结合能的变化表明 AspCl 与钙钛矿之间存在相互作用。

图2：NBG Sn-Pb钙钛矿薄膜的表征

单结 NBG PSC 的性能

图 3a展示了采用控制和目标钙钛矿薄膜的器件的横截面 SEM 图像，显示了相似的形态。图 3b 比较了性能最佳的对照器件和目标器件的 J-V 曲线。根据反向（正向）电压扫描测量，最佳控制 PSC 的 J-V 曲线得出的 Jsc、Voc、填充因子 (FF) 和功率转换效率 (PCE)均有显著改善。除了效率，AspCl 修饰还提高了太阳能电池的稳定性。图 3e 所示的器件在恒定 1 太阳光照下的最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试表明，在 55 °C、充满氮气的手套箱中工作 100 小时后，未封装的目标器件保持了 80% 的初始效率。图 3f 显示了封装并储存在充满 N ₂  的手套箱中的装置的货架储存稳定性。在室温下存放 2000 小时后，目标样品的 PCE 下降到原始值的 92%，而对照器件的 PCE 在相同条件下仅存放750小时后就已下降到原始值的 80%。这些结果表明，添加 AspCl 能显著提高锡铅 PSC 的效率和稳定性。

图 3：单结 NBG Sn-Pb PSC 的性能

全钙钛矿串联的性能

然后，作者使用 NBG Sn-Pb PSCs 作为底部子电池，WBG PSCs 作为顶部子电池，制作了单片双端（2T）全钙钛矿串联太阳能电池（图 4a、b）。最终，在反向（正向）电压扫描下测量（图 4c），性能最好的串联器件显示出 16.02 (16.06) mA cm ^-2  的高 Jsc、2.11 (2.12) V 的 Voc、82.20 (78.47) % 的 FF 和 27.84 (26.75) % 的 PCE，以及 27.62% 的 SPO 效率（图 4d）。图 4f还提供了32个 2T 全钙钛矿串联太阳能电池的光伏参数统计，显示出良好的重现性。此外，经过封装的串联器件在室温下的氮气环境中存放 2000 小时后，其 PCE 仍保持了初始 PCE 的 95%，这表明该器件具有在未来生产高效率、高稳定性串联太阳能电池的潜力。

图 4：2T 全钙钛矿串联太阳能电池的性能