21.92%！华南理工大学，重磅Nature！

研究背景

全无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电性能和较低的制造成本，成为了近年来的研究热点。相比传统的有机-无机杂化钙钛矿，采用无机阳离子（如Cs⁺）取代有机阳离子（如甲铵基（MA⁺）和甲脒（FA⁺））的全无机钙钛矿具有更高的热稳定性和光稳定性。然而，无机钙钛矿在成膜过程中存在薄膜结晶不均匀、深陷阱态和较差的光热稳定性等问题，这些问题严重制约了其在高效、稳定太阳能电池中的应用，尤其是在全无机钙钛矿叠层太阳能电池中的应用仍面临瓶颈。

成果简介

为了解决这些问题，华南理工大学严克友等人在Nature期刊上发表了题为“Durable all inorganic perovskite tandem photovoltaics”的最新论文。他们提出了一种绿色配体演变（LE）策略，通过在低温阶段使用对甲苯磺酰肼（PTSH）作为配体调控钙钛矿薄膜的成核结晶，在高温处理过程中还原Sn⁴⁺为Sn²⁺，有效减少了深能级陷阱态，同时配体生成的产物对甲苯磺酸（PTSA）进一步钝化了薄膜缺陷。该策略显著提升了无机窄带隙钙钛矿（CsPb0.4Sn0.6I3）的光电性能，并成功制备出了带隙为1.31 eV的钙钛矿太阳能电池，获得了17.41%的破纪录效率。

基于此，团队进一步结合带隙为1.92 eV的CsPbI2Br顶电池，成功构建了2端全无机钙钛矿叠层太阳能电池，达到了22.57%的效率（认证为21.92%）。这一研究成果不仅解决了无机钙钛矿薄膜的成膜问题，还有效提升了其稳定性，为全无机钙钛矿叠层太阳能电池的高效稳定发展提供了新的理论依据和技术路径。

研究亮点

（1）实验首次采用绿色配体演变策略，调控全无机窄带隙钙钛矿薄膜的成核结晶，成功制备了全球首个2端全无机钙钛矿叠层电池，并解决了无机窄带隙钙钛矿太阳能电池效率较低的问题。通过采用对甲苯磺酰肼（PTSH）作为配体，在低温处理阶段调控钙钛矿薄膜的结晶过程，在高温处理阶段将Sn⁴⁺还原为Sn²⁺，减少深陷阱态，提升薄膜质量。

（2）实验通过优化钙钛矿薄膜成核过程及引入配体钝化缺陷态，制备了带隙为1.31 eV的CsPb0.4Sn0.6I3无机窄带隙钙钛矿太阳能电池，获得了17.41%的破纪录效率。进一步将该无机窄带隙电池与带隙为1.92 eV的CsPbI2Br顶电池结合，成功构建了2端全无机钙钛矿叠层太阳能电池，整体效率达22.57%（认证为21.92%）。

（3）实验通过光热稳定性测试，验证了该2端全无机钙钛矿叠层电池的优异稳定性，在85℃光热老化测试中保持80%的初始效率，表现出优于有机-无机杂化钙钛矿叠层电池的光热稳定性。

图文导读

图1：LE改善了无机NBG PSC的性能。

图2：LE改善了钙钛矿的结晶和微观结构。

图3：监测LE的相互作用机制。

图4：优化的2T IPTSC的PV和稳定性性能。

结论展望

全无机钙钛矿材料在提高光热稳定性和热稳定性方面具有显著优势，尤其在叠层太阳能电池中的应用，展示了其解决光热稳定性差问题的潜力。本文通过用无机阳离子（如Cs+）替代有机阳离子（如甲铵基和甲脒）来制备全无机钙钛矿，成功克服了有机钙钛矿电池中的长期稳定性问题。这一策略不仅推动了全无机钙钛矿的高效应用，还为高效稳定的2端钙钛矿叠层电池的开发提供了新思路。

其次，配体演变策略的提出为无机窄带隙钙钛矿的薄膜制备提供了新的技术路径。通过调控配体演变，研究者成功调节了薄膜结晶过程，降低了深能级陷阱态，提高了钙钛矿电池的效率与稳定性。这一方法为解决低效薄膜和深陷阱态问题提供了重要的理论依据，也为进一步提升无机窄带隙钙钛矿太阳能电池的性能打下了基础。

文献信息

Duan, C., Zhang, K., Peng, Z. et al. Durable all inorganic perovskite tandem photovoltaics. Nature (2024).

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