金属氧化物（比如TiO₂、SnO₂等）长期被视为电子传输层的优选材料。然而，基于金属氧化物电子传输层的正式结构锡基钙钛矿太阳能电池（nip-type TPSCs）的光电转换效率始终处于比较低的水平。近日，复旦大学材料科学系梁佳课题组揭示了这一低性能瓶颈的主要原因，认为金属氧化物电子传输层中的氧空位和更深能级是导致效率不高的关键因素。为了解决这些问题，课题组提出了一种新型金属硫族化物电子传输层材料，特别是金属混合硫族化合物Sn(S_0.92Se_0.08)₂，成功改善了这些不足。研究表明，Sn(S_0.92Se_0.08)₂能够有效避免氧分子从氧空位中的解吸，并阻碍Sn²⁺的氧化；同时Sn(S_0.92Se_0.08)₂展现出较浅的能带结构，进一步提高了TPSCs的光电性能。与传统金属氧化物电子传输层相比，基于Sn(S_0.92Se_0.08)₂的TPSC的开路电压（V_oc）从0.48 V提升至0.73 V，光电转换效率（PCE）从6.98%提升至11.78%。此外，这种新型TPSC在稳定性方面也表现优异，在1632小时的测试中，效率仍保持在95%以上。

图1 TiO₂电子传输层中氧空位诱导锡基钙钛矿薄膜埋底界面的氧化。

图2 金属硫族化物电子传输层与锡基钙钛矿薄膜的能级更匹配；同时金属硫属化物电子传输层具有更高的光线透过率和电子迁移率

该研究不仅揭示了金属氧化物电子传输层影响光电性能的潜在机制，还为未来TPSCs的产业化提供了有力的技术支撑。首先，课题组证实了氧分子从TiO₂中的氧空位中解析的过程，并且原位跟踪了锡基钙钛矿中Sn²⁺转化为Sn⁴⁺的过程（图1）。其次，研究还证明了TiO₂电子传输层较深的能级结构，并通过实验和理论分析明确指出，深能级是导致较低V_OC的主要原因。为此，课题组在TPSCs中引入了金属硫族化合物Sn(S_0.92Se_0.08)₂电子传输层。该材料不仅避免了氧分子解吸，还拥有更浅的导带底、优异的表面形貌、更高的导电性及更强的电子迁移率（图2）。

图3 金属硫族化合物电子传输层与锡基钙钛矿埋底界面的强相互作用抑制了锡基钙钛矿薄膜氧化

图4 基于金属硫族化物电子传输层的TPSC的光伏性能

此外，研究还表明，金属硫族化合物与锡基钙钛矿之间存在较强的相互作用，这种相互作用显著促进了两者之间载流子的高效、快速传输（图3）。最后，课题组成功制备了基于金属硫族化合物Sn(S_0.92Se_0.08)₂电子传输层的TPSC，实验结果显示，电池性能得到了显著的提升（图4）。该研究突出了金属硫族化物作为电子传输层在提升TPSC性能方面的巨大应用潜力，有望有效解决锡基钙钛矿太阳能电池在效率和稳定性方面的瓶颈，为未来相关技术的产业化奠定基础。

相关研究成果以“Metal chalcogenide electron extraction layers for nip-type tin-based perovskite solar cells”为题，发表在Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-024-53713-4)。复旦大学材料科学系李天朋博士生和东华大学材料学院李斌博士为共同第一作者，梁佳青年研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持。

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https://doi.org/10.1038/s41467-024-53713-4