給鈣鈦礦電池裝上“納米緩存器”，破解長期穩(wěn)定性難題！

過去十年，鈣鈦礦太陽能電池的效率提升速度令人震撼，實驗室認證效率已逼近甚至追平晶硅電池。然而，真正擋在產(chǎn)業(yè)化門口的，并不是“能不能更高效”，而是“能不能用得久”。在真實工作條件下，鈣鈦礦電池往往只能維持?jǐn)?shù)百小時高效運行，隨后性能迅速衰減。大量研究表明，這種退化并非材料本身“脆弱”，而是源自界面處長期累積的電荷，引發(fā)缺陷不斷演化，最終形成一個自我加速的失效循環(huán)。如何在不犧牲效率的前提下，長期抑制這種“電荷—缺陷—退化”的惡性反饋，成為鈣鈦礦走向應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。

在此，浙江大學(xué)楊德仁院士、余學(xué)功教授、王勇教授聯(lián)合華能集團清潔能源技術(shù)研究院趙東明博士提出了一種全新的界面設(shè)計思路：在鈣鈦礦與載流子傳輸層之間，引入非晶–晶體核殼結(jié)構(gòu)的氮化硅納米顆粒，構(gòu)建“載流子納米緩存器”。其中，非晶外殼負責(zé)溫和鈍化界面缺陷，晶體內(nèi)核則像“記憶芯片”一樣，主動捕獲并儲存運行過程中不斷積累的電荷，從源頭切斷缺陷演化的驅(qū)動力?；谶@一策略，器件效率提升至26.65%，而面積達1252 cm2的大尺寸組件在戶外連續(xù)運行6個月后幾乎無功率衰減，為鈣鈦礦穩(wěn)定性提供了全新的解決范式。相關(guān)成果以“Silicon nitride nanocomposites at the buried interface for stable perovskite solar cells”為題發(fā)表在《Nature Photonics》上，Biao Li, Xingtao Wang為共同第一作者。

研究的第一步，是構(gòu)建這個“能存電”的界面結(jié)構(gòu)。團隊制備了一種尺寸約30–50 nm的核殼型氮化硅納米顆粒，其內(nèi)核為晶態(tài)α-Si?N?，外層包覆一層厚度約1.5 nm的非晶氮化硅（圖1a）。透射電鏡清晰顯示了這種“晶核+非晶殼”的層級結(jié)構(gòu)。進一步的電子自旋共振結(jié)果揭示了關(guān)鍵差異：晶體內(nèi)核中存在大量“懸掛鍵”型缺陷，而非晶外殼的缺陷密度卻低了三個數(shù)量級（圖1b）。這種天然的“分工”，為后續(xù)功能埋下伏筆。

當(dāng)這些納米顆粒被引入鈣鈦礦電池的埋藏界面后，它們并不會形成連續(xù)膜層，而是以離散方式分布在電極表面（圖1c）。開爾文探針測試顯示，加入核殼氮化硅后，界面功函數(shù)顯著提高，有利于電荷向外抽取。更重要的是，通過類MOS結(jié)構(gòu)的電容–電壓測試可以看到，晶態(tài)內(nèi)核會在持續(xù)電荷注入過程中不斷捕獲電子，使平帶電壓發(fā)生明顯變化（圖1d）。這說明，這些納米顆粒并非被動“填坑”，而是在器件工作時持續(xù)參與電荷調(diào)控，真正扮演了“納米緩存器”的角色。

圖1：核殼型氮化硅納米顆粒的結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面電學(xué)特性

在此基礎(chǔ)上，研究進一步探究了這種界面對載流子動力學(xué)的影響。電子束誘導(dǎo)電流成像顯示，引入納米緩存器后，器件內(nèi)部的載流子收集信號明顯增強，尤其是在鈣鈦礦與界面層附近區(qū)域（圖2a）。沿厚度方向的線掃描結(jié)果也表明，電荷更容易被快速抽取，而不是滯留在界面處形成積累（圖2b）。這種變化直接反映在內(nèi)建電勢上：隨著器件運行時間增加，含氮化硅界面的電池內(nèi)建電勢持續(xù)提高，而對照組幾乎保持不變（圖2c），說明被“緩存”的電荷反而增強了內(nèi)部電場。電容瞬態(tài)測試則從另一個角度印證了這一點。光照移除后，普通器件的電容無法回到初始值，意味著仍有電荷滯留在界面；而引入納米緩存器的器件，電容反而穩(wěn)定在更低水平（圖2d）。這表明，電荷被有效捕獲并從“危險區(qū)域”中移走，從而避免了長期堆積。

圖2：載流子納米緩存器對電荷傳輸與積累的影響

真正的考驗來自長時間光照下的缺陷演化。通過熱導(dǎo)納譜和深能級分析，研究發(fā)現(xiàn)，對照器件在光照老化過程中會逐漸生成新的缺陷能級，并從界面向體相擴散（圖3a、3b）。而在引入核殼氮化硅后，這一缺陷演化過程被顯著抑制。剝離后的埋藏界面形貌也給出了直觀證據(jù)：對照器件出現(xiàn)大量腐蝕坑，而改性器件表面依然完整平整（圖3c）。對應(yīng)的發(fā)光成像顯示，缺陷誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合在改性器件中明顯減弱（圖3d）。從機理示意圖可以看出，正是“電荷緩存—電場增強—缺陷鈍化”的協(xié)同作用，打斷了原本不斷自我放大的退化循環(huán)（圖3f）。

圖3：長時間光照下的缺陷演化行為

最終，這種界面設(shè)計轉(zhuǎn)化為實實在在的性能與穩(wěn)定性提升。小面積電池在最大功率點連續(xù)運行3000小時后，仍能保持初始效率的95%，而對照組僅剩約一半（圖4a）。更具說服力的是戶外實證：研究團隊將面積超過1200 cm2的大尺寸組件部署在北京屋頂，經(jīng)歷春夏季高輻照環(huán)境，連續(xù)運行6個月后，改性組件的輸出功率幾乎沒有衰減，而未改性的組件則下降至初始值的約67%（圖4b–d）。這一步，真正跨越了實驗室與真實環(huán)境之間的鴻溝。

圖4：器件與組件的長期穩(wěn)定性測試結(jié)果

小結(jié)

這項工作提出的并非又一種鈍化分子或界面修飾劑，而是一種全新的穩(wěn)定性設(shè)計邏輯：通過在界面引入“可存儲電荷的功能單元”，主動管理載流子行為，從源頭抑制缺陷演化。核殼氮化硅納米緩存器將非晶鈍化與晶體電荷捕獲合二為一，使效率提升與長期穩(wěn)定性首次實現(xiàn)真正協(xié)同。隨著鈣鈦礦組件不斷放大、應(yīng)用場景不斷走向戶外，這種“電荷管理型界面”有望成為下一代高穩(wěn)定鈣鈦礦器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)模塊。