这是一篇关于提升倒置钙钛矿太阳能电池反向偏压稳定性的原创研究，发表于 2025 年的 Nature Communications。该研究由南京大学化学化工学院的 Shangshang Chen 课题组主导，共同第一作者为 Chaoyue Zhao、Feifei Wang 和 Xiaodong Hu，合作单位包括香港科技大学等。

研究背景

倒置结构（p-i-n）钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PSCs）因其低成本、可溶液加工和柔性等优势，被视为极具前景的光伏技术。当前，基于自组装单分子层（self-assembled monolayer, SAM）的空穴传输层（hole transport layer, HTL）已将该类器件的能量转换效率（power conversion efficiency, PCE）推至可与传统硅基光伏媲美的水平。然而，在追求高效率的同时，器件的反向偏压稳定性（reverse bias stability）已成为其商业化的关键瓶颈。在串联组件中，当部分电池被遮挡或性能不佳时，会被迫承受其他正常电池产生的高电流，从而处于反向偏压状态。这会引发电能转化为热能，导致局部高温和不可逆的器件损坏。目前，PSCs的反向击穿电压（reverse breakdown voltage, VRB）普遍较低（-0.5 V至-4.0 V），远低于传统硅电池（约-15 V）。虽然已有研究通过增厚空穴传输材料PTAA或采用昂贵的金电极、多叠层电子传输层等复杂工艺来提升VRB，但这些方法常常以牺牲器件效率、增加成本或牺牲大面积制备可行性为代价。特别是，关于HTL本身如何影响反向偏压稳定性的直接实验证据和深层机理，此前尚缺乏透彻研究。

研究流程与关键方法

为揭示HTL在反向偏压下的工作机理，研究者首先系统对比了基于不同HTL（包括SAM分子Me-4PACz、PhPACz和聚合物PTAA）的倒置PSCs。通过在暗态下施加反向扫描电压，测定了各器件的击穿行为。结果显示，无HTL的器件VRB仅为-1.2 V，而SAM型HTL能将其提升至-3.5至-4.7 V，但PTAA（24 nm）器件表现出显著增强的耐受性，VRB可达-8.3 V。

为探明造成这种差异的根本原因，研究团队创新性地采用了电致发光（electroluminescence, EL）成像技术。不同于传统的光致发光（photoluminescence, PL）成像仅探测光活性层，EL成像能在模拟器件工作条件下，直观展示整个器件在电荷注入时的空间均匀性。通过在正向偏压下注入电流密度等同于标准光照下短路电流密度的载流子，并以160纳米的像素分辨率进行120×120微米区域的扫描，他们获得了高分辨率的二维EL强度分布图。此项分析揭示了关键发现：基于SAM（PhPACz）的器件呈现出显著的非均匀发光，存在大量离散的“热点”，表明其空间异质性严重，这些区域会成为反向偏压下优先击穿的路径。进一步，共沉积法（co-deposition）制备的SAM器件均匀性更差，揭示了该方法的内在缺陷。相反，PTAA器件的EL发光均匀性明显改善，强度分布更窄，证实了厚聚合物膜在促进均匀载流子传输与注入方面的优势，有效抑制了局部失效点的形成，从而提升了反向偏压稳定性。

基于上述“HTL均匀性对反向偏压稳定性至关重要”的机制洞察，研究团队设计并合成了一种新型聚合物空穴传输材料——poly-PhPACz。通过将SAM分子PhPACz聚合，形成了π共轭聚合物主链。这一设计旨在结合SAM（对ITO基底有化学锚定作用）和聚合物（导电性好、可厚膜加工）的双重优势。EL成像证实，基于poly-PhPACz的器件展现出最高的发光强度和最窄的发光分布，且无任何可观察到的热点，表明其薄膜高度均匀，能够有效阻挡反向偏压下的电子注入通路。

在器件性能评估阶段，研究人员不仅制备了基于不同HTL的器件，还系统测试了poly-PhPACz厚度对PCE和VRB的影响，并对其光物理和电学特性进行了全面表征。紫外光电子能谱（UPS）、X射线光电子能谱（XPS）、导电原子力显微镜（c-AFM）和空间电荷限制电流（SCLC）等测试手段被用来解析材料的能级、界面相互作用和电导率。光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）光谱用于研究界面载流子复合动力学。此外，还采用了光诱导电荷提取线性升压（photo-CELIV）法测量载流子迁移率，并利用瞬态光电压（TPV）、瞬态光电流（TPC）、理想因子、陷阱态密度（tDOS）和驱动级电容分布（DLCP）等表征手段，深入探索了器件内部的电荷传输、复合和钝化效果。

在此基础上，研究进一步探索了背电极优化对VRB的提升效果。他们尝试了在铜（Cu）电极下热蒸发一层铬（Cr），形成Cr/Cu双层电极，并对比了铜、银、金等不同电极方案对VRB和长期偏压稳定性的影响。

主要研究结果

研究发现，poly-PhPACz的各项性能表现突出。其水接触角（52.7°）远小于PTAA（79.5°），显示出优异的润湿性，有利于大面积钙钛矿薄膜的均匀沉积。与单体PhPACz相比，poly-PhPACz与ITO基底具有更强的化学键合，且能更好地钝化钙钛矿界面缺陷，这体现为稳态PL强度增强1.36倍，平均载流子寿命从2051.9纳秒延长至2655.0纳秒。

在器件性能上，基于poly-PhPACz的电池实现了26.1%的冠军PCE（认证效率25.85%），开路电压（VOC）为1.18 V，填充因子（FF）高达84.3%，而对比的PhPACz器件PCE为21.6%。更重要的是，poly-PhPACz表现出优异的光照稳定性，在连续一个太阳光强照射1800小时后，仍能保持初始效率的92%以上，而PhPACz器件在800小时后即衰减至11.7%。在反向偏压稳定性方面，20 nm厚的poly-PhPACz器件可实现约-8.0 V的VRB，远优于SAM器件。通过增厚poly-PhPACz至63 nm，VRB可进一步提升至-8.4 V，同时器件PCE仍保持在20%以上，展现了宽的加工窗口。最终，通过采用优化的Cr/Cu（30/70 nm）双层电极，器件VRB被成功推高至-14.3 V，可与硅基光伏相媲美，而PCE仍维持在22.7%。机理研究表明，这种提升归因于均匀致密的HTL有效抑制了局部击穿路径的形成，以及Cr层阻挡了背电极金属向钙钛矿层的扩散。

研究结论与价值

本研究通过EL成像技术首次系统性揭示了空穴传输层均匀性是影响倒置钙钛矿太阳能电池反向偏压稳定性的决定性因素。传统SAM型HTL因其空间异质性会产生局部优先击穿通道，导致器件在低反向电压下就发生不可逆破坏。基于这一理解，该研究设计并合成的导电聚合物poly-PhPACz，集成了高电导率、优界面钝化能力和出色的成膜均匀性，打破了传统HTL在效率、稳定性和可加工性之间难以兼顾的困境。该工作不仅为理解和提升PSCs的稳定性提供了全新的视角和关键实验证据，还提供了一种简单、可扩展的策略，使得在空气环境中刮涂制备的器件同时实现了超过26%的高效率和可与硅电池媲美的反向偏压稳定性。这对推动钙钛矿光伏技术走向商业化、弥合其性能与可靠性之间的鸿沟具有重要的科学意义和实际应用价值。