报告：高效稳定的倒置钙钛矿太阳能电池的研究进展

第一部分：研究主要作者、机构及发表信息

该研究发表于《Nature Communications》期刊，文章标题为“Efficient and stable inverted perovskite solar cells enabled by homogenized PCBM with enhanced electron transport”。主要作者包括Gong Cheng、Li Haiyun、Xu Zhiyuan等，署名研究机构为重庆大学光电工程学院（College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing, China）和华中科技大学武汉光电国家实验室（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei, China)。文章于2024年发表。

第二部分：研究背景与目的

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）因其效率高、成本低而被寄予厚望，其认证光电转换效率（Photovoltaic Conversion Efficiency，PCE）已提升至26.7%。然而，传统正构n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池在效率和稳定性方面面临障碍，尤其是掺杂空穴传输层（HTL）的集成带来的挑战。因此，倒置p-i-n结构太阳能电池因其兼容性强、低温加工性和优异的稳定性而备受关注。

在倒置PSCs中，富勒烯衍生物（如[6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester，简称PCBM）被广泛用作电子传输层（Electron Transport Layer, ETL），因其良好的界面兼容性和电子传输能力。然而，PCBM的本征稳定性和易聚集性限制了其在实际应用中的潜力，例如降低界面电荷分离效率和增加电荷复合损耗。本研究旨在通过引入四甲基硫脲二硫化物（Tetramethylthiuram Disulfide，简称TMDS）对PCBM进行n型掺杂改性，以改进其导电性、电子迁移率和稳定性，从而提高PSCs的效率和长期稳定性。

第三部分：研究流程及实验方法

本研究流程包括以下主要环节：

1. 引入TMDS并对其进行n型掺杂改性

通过将TMDS添加到PCBM溶液中并利用紫外光照射，生成具有还原性的硫基自由基（Sulfur Radicals）。硫自由基将电子转移至PCBM的碳笼结构，诱导n型掺杂。同时，TMDS中的C=S键可与钙钛矿表面的未配位Pb2+结合，从而减小表面缺陷。

实验中通过质谱（Time-of-Flight Mass Spectrum，TOF-MS）、电子顺磁共振（Electron Spin Resonance，ESR）和X射线光电子能谱（XPS）分别检测硫自由基的生成、PCBM自由基阴离子的形成及其化学态变化。

2. 薄膜制备与表征

在相同条件下，利用旋涂法将含或不含TMDS的PCBM涂覆到钙钛矿薄膜上，并表征其形貌和电学性能。通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析薄膜形貌；通过Kelvin探针力显微镜（KPFM）测量表面电势分布；利用空间电荷限制电流法（Space Charge-Limited Current, SCLC）测试电子迁移率和电导率。

3. 整合PSCs器件

制备ITO/NiOx/钙钛矿/PCBM/Ag结构的PSCs器件，其中对比在有与无TMDS修饰的PCBM条件下器件效率差异。

4. 评估光伏性能及长期稳定性

利用模拟日光AM1.5光谱测试电池J-V曲线和效率，并通过寿命加速测试（在85°C和85%湿度下进行长达1090小时的老化测试及1271小时最大功率点追踪测试）评估器件长期稳定性。

第四部分：主要实验结果

1. TMDS辅助的n型掺杂机制验证

实验表明，紫外照射下TMDS溶液生成硫自由基，其与PCBM发生电子转移反应，成功实现n型掺杂。XPS结果揭示TMDS与Pb2+有显著的化学键合，减小钙钛矿表面缺陷密度。

2. 薄膜均匀性与导电性提升

AFM和SEM图像显示，TMDS修饰的PCBM薄膜表面具有更低的粗糙度（从2.35 nm下降至1.52 nm）和更均匀分布。空间电荷限制电流法（SCLC）数据显示，TMDS掺杂后PCBM电子迁移率从1.66×10^-4 cm^2/V·s增加至2.4×10^-3 cm^2/V·s，电导率提升至1.22×10^-5 S/cm。

3. 器件效率提升

引入TMDS的目标器件最高效率达到26.10%（认证25.39%），1 cm²面积的器件效率达到24.06%，有效提升电荷提取效率并减少界面复合损耗。

4. 长期稳定性改善

目标器件在1271小时的持续光照MPPT测试中保持95%以上初始效率，经过85°C、85%湿度环境老化1090小时后仍保持90%以上初始效率，优于对照器件的76%及65%。

第五部分：研究结论与意义

本文研究通过TMDS诱导对PCBM的n型掺杂改性，显著提升倒置钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性。该方法不仅改善了电子传输层的形貌和电学性能，还通过界面缺陷钝化有效降低了非辐射复合损耗。最终获得效率高达26.10%的PSCs器件，同时展现优异的长效稳定性。

该研究为使用富勒烯衍生物作为ETL的钙钛矿太阳能电池开发提供了新思路，对进一步提升PSCs产业化应用潜力具有重要意义。

第六部分：研究亮点

1. 高性能倒置PSCs的突破：26.10%的实验效率创下富勒烯类ETL的倒置PSCs新纪录。
2. 创新的TMDS掺杂方法：紫外诱导硫自由基生成机制，极大提升PCBM导电性和稳定性。
3. 长期稳定性的突破：目标器件在高温高湿条件下表现出优异的抗老化性能。

第七部分：附加内容

研究还为相关领域的科学家提供了一种可扩展性和可操作性强的解决方案，后续在模块化扩展（30×30 cm）方面的应用案例进一步标志其产业化的潜力。