针对以上难题，北京理工大学材料科学与工程学院陈棋教授、姜岩教授等研究者揭示了宽带隙钙钛矿中缺陷钝化失效的机制：传统钝化剂（如PEA⁺）在光热应力下发生脱附，导致器件性能衰退。我们设计了一种含磺酰氟基团的芳香铵钝化剂（4-(2-氨乙基)苯磺酰氟，TAR 3），其高电偶极矩和多位点结合能力可抑制脱附行为，增强钙钛矿抗光热应力性能并显著缓解相分离。基于此，宽带隙钙钛矿单结太阳能电池实现了23.50%的冠军效率，并在50°C、1-sun光照下连续运行1,000小时后无明显衰减。将其集成于钙钛矿/CIGS叠层电池中，稳态效率达27.93%（认证效率27.35%），并在-38°C空气中稳定运行420小时以上。
相关研究成果以“Inhibiting defect passivation failure in perovskite for perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells with certified efficiency 27.35%”为题，发表在Nature Energy上。
陈棋，2005年本科毕业于清华大学化工系；2007年硕士毕业于清华大学化学系；2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程系。2012年-2016年，加州大学洛杉矶分校（UCLA），博后；2016年-2023年，北京理工大学材料学院，教授；2023年-至今，北京理工大学前沿交叉科学研究院，教授/院长。主要研究方向为新型太阳能电池材料与器件；有机无机杂化材料的智能制造；光电-电光转换机理。研究成果多次发表在Science、Joule、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等顶尖期刊，代表性论文：Science, 2022, 387, 747；Science, 2021, 373, 561；Science, 2014, 345, 542。
姜岩，2010年本科毕业于中山大学；2015年博士毕业于中国科学院化学研究所；2015年-2018年，日本冲绳科学技术大学，博后；2018年-2020年，瑞士联邦材料科学技术研究所，博后；2020年-2022年，松山湖材料实验室，研究员，博导；2022年-至今，北京理工大学材料学院，教授，博导。迄今在Nat. Energy.、Nat. Commun.、Joule、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等材料、能源领域国际知名杂志上已发表论文60余篇。
图1 光热应力下钝化失效行为及其抑制
图1通过对比PEA⁺与TAR 3的原位光致发光（PL）、核磁共振（NMR）和X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了传统钝化剂PEA⁺在120°C加热和1-sun光照下的脱附过程（图1a）。对照组和PEA⁺钙钛矿薄膜的PL强度随时间急剧衰减（图1b,c），而TAR 3薄膜的PL强度保持稳定（图1d）。¹H NMR谱中PEA⁺苯环特征峰（7.2–7.4 ppm）的逐渐消失（图1e）及XPS中C–N键信号（286.6 eV）的衰减（图1g）证实了PEA⁺的脱附，而TAR 3的特征峰在150小时后仍清晰可见（图1f）。结合密度泛函理论（DFT）模拟，证明了TAR 3的高脱附能（图1a）源于磺酰氟基团与钙钛矿表面的强静电相互作用和氧-铅配位键，从而抑制了钝化失效。
图 2 芳香铵钝化剂与钙钛矿相互作用的DFT及分子动力学研究
图2通过DFT计算比较了PEA⁺与TAR 3在不同钙钛矿终端（FAI、PbI₂及混合终端）的结合行为（图2a-c）。TAR 3因更高的最大静电势（φmax）和磺酰氟基团的O-Pb配位作用，脱附能比PEA⁺高2–3倍（图2d）。此外，TAR 3显著提升了点缺陷（如碘空位）的形成能（图2e），并通过温度依赖电导率测试证实其离子迁移活化能（0.28 eV）为对照组的2.3倍（图2f）。分子动力学模拟进一步显示，TAR 3薄膜中碘和铅的均方位移波动最低（图2g），表明其有效抑制了离子迁移。
图3 WBG钙钛矿薄膜和器件的光电特性
图3展示了TAR 3钝化的1.68 eV宽带隙钙钛矿单结电池的性能突破：冠军器件效率达23.50%，开路电压（Voc）达1.197 V（赤字仅0.333 V）（图3b）。光致发光量子产率（PLQY）提升至4.42%（对照组为2.75%），载流子寿命延长至838 ns（图3d）。光强依赖Voc测试显示其理想因子降至1.24 kBT/q（图3e），表明非辐射复合被显著抑制。稳定性方面，TAR 3器件在50°C、MPP跟踪下运行1,150小时后效率无衰减（图3h），优于PEA⁺器件（70%初始效率）。
图4 钙钛矿/CIGS TSCs的PV性能和稳定性
图4展示了叠层器件结构（图4a）和截面SEM图像（图4b）。最优叠层电池效率达28.05%（反向扫描），稳态输出效率为27.93%（图4c,d）。外量子效率（EQE）积分电流密度（钙钛矿层19.25 mA cm⁻²，CIGS层19.10 mA cm⁻²）与J–V曲线高度吻合（图4e）。经第三方认证，该器件稳态效率为27.35%（图4f），是当前钙钛矿/CIGS叠层电池的最高认证效率之一。未封装器件在-38°C空气中连续运行420小时后效率无衰减（图4g），凸显了TAR 3钝化策略的工业应用潜力。
该项研究表明，通过精准设计官能团（如磺酰氟基团）的芳香铵钝化剂可有效抑制钝化失效，实现多位点缺陷钝化并促进载流子传输。该策略使1.68 eV宽带隙钙钛矿的Voc和填充因子（FF）接近理论极限，显著提升了单结电池（效率>23%）和钙钛矿/CIGS叠层电池（认证效率>27%）的性能。更重要的是，TAR 3钙钛矿薄膜即使在200倍光照下仍能消除相分离，确保了单结及叠层器件在连续光热应力下的长期运行稳定性。这一钝化策略为发展高效、高耐久钙钛矿光伏技术提供了新路径。
Pei, F., Lin, S., Zhang, Z. et al. Inhibiting defect passivation failure in perovskite for perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells with certified efficiency 27.35%. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01761-5