北理工陈棋团队Nature Photonics：原子致密Sb₂O₃范德华间隔层大幅提升钙钛矿模组反向偏置与阴影老化稳定性
✅ 界面革新：热蒸发制备原子级致密 Sb₂O₃范德华分子晶体间隔层，全尺度无悬挂键均匀成膜，适配模组规模化量产；
✅ 双重突破：小面积电池认证效率 27.3%，62.37 cm² 大面积模组孔径认证效率 23.1%，反向偏置击穿电压达 - 22.3 V；
✅ 超长模组稳定性：65℃持续遮阴老化 1510 h 仍保留 91.2% 初始效率，解决光伏组件实际遮阴失效痛点；
✅ 表征支撑：本论文采用多类表征手段协同验证，其中QFLS 全域成像直观呈现了界面缺陷、薄膜均匀性，定量佐证了Sb₂O₃对界面非辐射复合的抑制作用。
Keywords：钙钛矿太阳能模组，Sb₂O₃范德华界面层，反向偏置稳定性，界面钝化，QFLS 准费米能级成像表征
研究背景
钙钛矿太阳能电池光电转换效率已突破 27%，热、光老化稳定性得到大量优化，但实际组件运行中的反向偏置失效仍是产业化最大阻碍。户外工况下，组件局部遮阴会使对应子电池承受高压反向偏置；钙钛矿本征离子晶体结构极易引发离子迁移、界面氧化、电极腐蚀，最终出现漏电、效率断崖下跌甚至器件永久性烧毁。
当前主流钝化方案（有机盐、聚合物、普通金属氧化物）存在三大产业化短板：
1. 溶液法钝化工艺对温湿度敏感，大批量制备重复性差；
2. 薄膜跨尺度均匀性差，模组边缘激光刻蚀区域缺陷难以修复；
3. 光、热应力下钝化层易脱落，长期防护失效。
二维材料转移工艺、传统气相氧化层又会损伤钙钛矿吸光层，难以落地。亟需一种可蒸镀、全尺度均匀、长效稳定的界面修饰方案。
研究成果
团队创新采用热蒸发工艺沉积 Sb₂O₃范德华分子晶体界面层，Sb₄O₆笼状分子依靠分子间弱范德华力结合，真空升华过程完整保留 Sb-O 键，形成无悬挂键、原子致密均匀超薄界面层，从微观到模组尺度同步解决界面缺陷、离子迁移、反向击穿三大问题。
01 多尺度均匀界面钝化机理
Sb₂O₃氧原子可与钙钛矿配位不足的 Pb 位点自发结合（反应吉布斯自由能 - 0.52 eV），大幅提升 Pb、I 空位缺陷形成能，从热力学抑制缺陷生成；DFT 计算证实间隔层拓宽界面势垒，阻挡反向偏置下电子隧穿与卤素离子扩散。
图1 Sb₂O₃薄膜多维度表征（a：STM；b:TEM；c:XPS；d:FTIR；e：ToF-SIMS；F：QFLS）
02 器件与模组效率跨越式提升
• 小面积单电池：引入 Sb₂O₃后 PCE 由 25.4% 提升至 27.3%，第三方认证效率 27.3%，开路电压与填充因子显著提升，迟滞效应大幅削弱；
• 大面积模组：13 条子电池串联、62.37 cm² 有效面积模组，认证稳态效率 23.06%，无间隔层对照组仅 21.2%；同时 Sb₂O₃可修复激光刻蚀带来的边缘界面损伤，降低模组边缘性能损耗。
03 全工况长效稳定性（反向偏置 / 遮阴 / 光 / 热 / 温度循环）
1.反向偏置耐受：器件击穿电压达 - 22.3 V，可承受 20 片串联子电池同步遮阴；-1 V 持续反向偏置 3000 h 仍保留 92% 效率；
2.模组遮阴老化：65℃、单条子电池持续遮阴 1510 h，维持 91.2% 初始效率，对照组 120 h 效率跌至 80% 以下；
3.多重加速老化：1000 h 持续光照、1000 h 85℃热老化、503 次 - 40~85℃温度循还后，器件效率保持率均超 90%。
实验表征
研究采用 STM、TEM、XPS、瞬态吸收、DFT 模拟等多维度表征联合验证钝化效果，准费米能级分裂（QFLS）成像为其中关键光电定量表征工具，数值直接对应器件非辐射复合损耗，全域 Mapping 成像可直观输出薄膜空间性能差异，用于定量区分不同钝化材料的界面优化效果。
1. 跨尺度均匀性对比：对 100×100 mm2 大面积钙钛矿 / 间隔层薄膜做 5×5 网格 QFLS 扫描，Sb₂O₃修饰薄膜 QFLS 稳定集中在 1.20 eV 区间；PEABr、PMMA、MgF₂对照组 QFLS 数值离散波动大，证明 Sb₂O₃成膜均匀性远优于传统钝化材料。
图2 100 × 100 mm2 钙钛矿层上制备各膜层后25点QFLS成像与直方图分布（f：Sb2O3/C60； g：PEABr/C60 ；h：PMMA/C60 ；i：MgF2/C60）
2. 界面复合定量验证：裸钙钛矿 QFLS≈1.20 eV；沉积 C60 电子层后界面复合加剧，QFLS 跌至 1.135 eV；插入 Sb₂O₃间隔层后 QFLS 回升至 1.19 eV，几乎恢复本征水平，PEAB、PMMA和MgF₂仅小幅回升至 1.14~1.16 eV。
图3 钙钛矿层上制备各膜层后QFLS成像与直方图分布（g：无；h：C60；i：Sb2O3/C60； j：PEABr/C60 ；k：PMMA/C60 ；l：MgF2/C60）
3. 激光刻蚀缺陷修复成像：模组刻蚀边缘区域 QFLS 显著衰减，覆盖 Sb₂O₃后刻蚀区 QFLS 同步抬升，可视化证明间隔层修复刻蚀诱发的界面缺陷。
图4 钙钛矿薄膜激光刻蚀后QFLS成像与直方图分布
总结 & 展望
本工作提出可规模化热蒸发 Sb₂O₃范德华分子晶体界面层策略，依托全套多尺度表征体系完整阐明界面钝化机理与性能优势。Sb₂O₃兼具原子级致密、无缺陷、耐光热、抗反向偏置多重优势，同步实现小电池 27.3%、大面积模组 23.1% 超高效率，有效改善户外遮阴、高温、反向偏置等产业化稳定性问题。
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参考文献：
[1]Atomically dense Sb₂O₃ interlayer for highly stable perovskite photovoltaic modules
DOI：https://doi.org/10.1038/s41566-026-01893-4作者：Teng Cheng, Ying Zhang, Zipeng Xu, Yujiang Du, Yunlu Cui, Yue Ma 等
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