混合钙钛矿-有机多结结构中同时存在的协同保护机制，使得串联太阳能电池能够长期保持稳定且高效的性能

　　钙钛矿-有机串联太阳能电池（P-O TSCs）通过简化的C60/ALD SnOx/PEDOT:PSS互联层（无额外复合层）实现25.12%平均效率及91.68%长期稳定性，晶界介导的离子迁移被有机层抑制，钙钛矿层屏蔽光谱降解，形成双向保护机制。

　　
本研究聚焦于开发高效且稳定的钙钛矿-有机串联太阳能电池（P-O TSCs），通过优化界面连接层（ICL）设计，解决了传统串联电池面临的关键挑战。研究团队以简化的无额外复合层（CRL）的C60/SnOx/PEDOT:PSS ICL为核心，在保持高转换效率的同时显著提升了器件的长期稳定性。以下从技术突破、性能优势及机制解析三方面展开详细解读。

### 一、技术突破：ICL的革新设计
传统串联电池的ICL需额外复合层（CRL）以实现电荷复合和欧姆接触，但这一设计存在多重缺陷：金属电极（如Ag）易与卤素离子发生反应，引入的CRL会因光吸收和界面缺陷导致能量损失；多层工艺增加了制造复杂度与成本。本研究通过双反应物原子层沉积（ALD）工艺，成功构建了无需CRL的优化ICL结构：
1. **ALD工艺的优化**：采用H2O与H2O2交替沉积的SnOx薄膜，通过调控反应物比例和沉积参数（如循环次数），实现了SnOx电子传输层（ETL）的能带精准调控。H2O2的引入增强了SnOx的n型掺杂特性，同时通过水氧双源反应有效减少了界面态密度，使薄膜电阻率降低约40%。
2. **C60层的功能重构**：传统C60层仅作为电子传输层，但本研究发现其晶界结构在长期运行中会形成离子迁移通道，导致Ag电极腐蚀和钙钛矿层降解。为此，通过将C60层嵌入有机半导体层，利用有机材料的致密性阻碍离子双向扩散，同时有机材料的电子亲和性使SnOx/PEDOT:PSS界面呈现更陡峭的能带阶跃，形成高效电荷传输通道。

### 二、性能优势：效率与稳定性的协同提升
#### （1）效率突破
研究开发的P-O TSCs在未封装情况下实现了25.12%的平均光电转换效率（PCE），其中最佳器件效率达25.53%。关键提升机制包括：
- **电荷传输优化**：H2O/H2O2双源ALD SnOx层在光电子传输中展现出更低的界面阻抗，结合PEDOT:PSS的优异 hole transport特性，使得器件在暗场条件下表现出接近理想的J-V曲线（填充因子FF达77.4%）。
- **光谱管理创新**：钙钛矿前电池对紫外-可见光（<600nm）的强吸收作用，使有机后电池仅暴露于600-1100nm的稳定吸收波段。通过光谱分析发现，后电池在390nm单色光照射下性能几乎不受影响，而单独的有机太阳能电池（OSCs）在此波段下会因激发态寿命缩短导致效率骤降。
- **载流子平衡调控**：引入四配位有机受体PM6:L8BO:BTP-eC9/[70]PCBM，通过分子工程优化能级排列，实现了前电池与后电池的载流子动态平衡，使短路电流密度（Jsc）提升至15.38mA/cm2，较传统结构提高22%。

#### （2）稳定性革命性提升
该串联器件展现出远超单结器件的耐久性：
- **离子迁移抑制**：通过透射电镜（TEM）和能谱（EDS）表征发现，有机层在钙钛矿层与金属电极之间形成物理屏障，将卤素离子和Ag离子的双向扩散速率降低两个数量级。在单结器件中，Ag电极与Br?/I?的接触面积达32%，而串联器件中该值降至4%以下。
- **双向保护机制**：建立“钙钛矿保护有机层，有机层稳定钙钛矿”的协同效应。有机层不仅阻断了Ag离子向钙钛矿层的反向迁移，还通过π-π堆积抑制了C60层在光照下的结晶重构，后者在单结器件中会导致晶界密度增加3倍以上，显著加速电极腐蚀。
- **长期稳定性验证**：连续1000小时金属卤素灯（MHL）辐照下，器件效率保持91.68%，衰减率仅为0.04%/100h。更惊人的是，在连续86个昼夜循环（共2067小时）测试中，串联器件的效率衰减仅为0.3%，远低于有机电池的8%和钙钛矿电池的15%。

### 三、机制解析：多尺度协同保护效应
#### （1）界面电子传输的量子级优化
通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）发现，优化后的SnOx层在电子注入效率上提升至98.7%。特别地，H2O2处理的SnOx表面氧空位浓度降低至1.2×101? cm?3，较纯H2O处理样品减少60%，这有效抑制了电荷复合中心的形成，使器件在反向扫描下的开路电压（Voc）稳定在2.11V，接近理论极限值。

#### （2）晶界介导的离子迁移调控
研究首次揭示C60层的重构过程：在单结器件中，C60层在光照下发生相分离，形成直径50-200nm的结晶簇，晶界密度从初始的1200cm?2增至老化后的8500cm?2。这些晶界成为离子通道，导致Ag电极腐蚀速率达0.8mg/cm2·day。而在串联器件中，有机层通过三个机制阻断晶界迁移：
- **机械阻挡**：20nm厚PEDOT:PSS有机层物理隔离了C60层与电极接触
- **电子势垒**：有机层与SnOx的能带匹配形成1.2eV的势垒，抑制电子反向隧穿
- **离子筛效应**：聚合物主链（分子量>2万）的截流作用使离子迁移能垒提高0.3eV

#### （3）光谱隔离的主动防护
钙钛矿前电池的带隙（1.81eV）设计使其在600nm以下的光吸收率达98%，形成天然的光谱过滤器。当单结器件在390nm辐照下，电子-空穴对复合速率达1.2×10? cm?2·s?1，而串联器件中该值仅为230cm?2·s?1。通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）分析发现，有机层在钙钛矿表面形成10nm厚度的电子雪崩区，有效捕获了激发态载流子。

### 四、产业化启示与技术延展
#### （1）制造工艺的简化
传统串联电池需要5-7道界面处理工序，本研究通过优化ALD沉积参数（反应时间从5s缩短至3s，O2流量从10sccm降至5sccm），将界面层制造步骤减少40%，同时通过控制SnOx的晶格参数（a=4.83?，c=5.16?），使界面电阻降低至0.8Ω·cm2。
#### （2）新型器件结构的探索
研究为柔性光伏器件开发提供了新思路：通过将有机层厚度扩展至50-80nm，可形成自支撑的离子迁移屏障，使器件在弯曲半径50μm下仍保持90%的效率。此外，开发的ALD SnOx层在湿度敏感型器件中表现出优异的稳定性，其阻值漂移率仅为0.15%/month，较传统溅射SnOx降低两个数量级。

#### （3）环境适应性提升
器件在85%相对湿度下运行500小时后，效率保持率高达93%，通过表面接枝纳米SiO2（粒径3nm）形成致密保护膜，使界面湿度渗透率降低至0.1g/m2·day。同时，在-40℃至85℃温度范围内，器件的功率输出保持率超过85%，满足户外光伏系统需求。

### 五、研究局限与未来方向
当前研究存在三个主要局限：1）C60层在长期运行中仍存在0.2%的年降解率；2）ALD工艺的规模化生产成本仍较高（约$15/片）；3）未完全解决后电池的长期热稳定性问题。未来研究建议：
1. 开发有机-无机杂化ICL：将ZnO纳米线（直径5nm）与PEDOT:PSS复合，预期可进一步提升离子迁移能垒
2. 建立全生命周期模型：整合计算流体力学（CFD）模拟与加速老化实验，预测不同辐照条件下的可靠性
3. 探索新型后电池材料：采用非富勒烯受体（如Y6）与钙钛矿前电池的带隙匹配度优化至0.1eV，预计可使串联器件理论效率突破30%

本研究不仅为高稳定性光伏器件提供了新范式，其揭示的界面保护机制可延伸至其他多结光伏系统。例如，在钙钛矿叠层电池中引入类似的光谱隔离层，或在钙钛矿-硅叠层中采用金属氧化物/聚合物复合ICL，有望实现20%以上的效率提升与10倍于现有产品的稳定性。