中科院宁波材料所叶继春&苏州大学杨阵海等：蒸镀超薄spiro-OMeTAD助力n-i-p钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池效率与稳定性突破

研究背景

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最高光电转换效率(PCE)已经达到35.0%，其中高效率器件(＞30%)主要由p-i-n结构实现，n-i-p结构则长期难以突破30%。不过，理论预测表明，钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的理论极限效率(42.5%)并不依赖于p-i-n或n-i-p结构，这说明n-i-p结构的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池仍具有巨大的效率提升空间。目前两种结构的性能差距主要源于短路电流密度的差异，p-i-n结构已经超过21 mA/cm2，而n-i-p仍小于20 mA/cm2。这种差异主要由n-i-p结构所采用的空穴传输层(HTL)材料spiro-OMeTAD带来的光学损失导致。虽然spiro-OMeTAD在n-i-p单结钙钛矿太阳能电池中具有显著效率优势，但是由于太阳光在叠层电池中从HTL入射，且旋涂方法制备的HTL薄膜厚度在100~200 nm，导致整个光谱范围内，尤其是在300~500 nm的寄生吸收，显著降低钙钛矿顶电池的光电流密度。并且，这种厚度的spiro-OMeTAD在红外波段(800~1000 nm)也会产生强烈的反射，进一步限制了晶硅底电池的电流，最终造成叠层电池的电流密度降低，从而限制了叠层电池的PCE。

为应对这一挑战，研究人员已经探索了多种策略。一种方法是采用复合HTL，减少spiro-OMeTAD的比例或者采用更宽带隙的HTL材料，从而降低HTL的光学吸收，但是效率还未体现明显的优势。另一种策略则聚焦于减少HTL的厚度。其中一种可行的方法是采用真空热蒸发(VTE)制备spiro-OMeTAD的HTL。这种方法可精确调控HTL的厚度，当采用多源共蒸镀可以实现掺杂从而制备高效器件。然而，薄膜的导电性与掺杂剂、薄膜厚度之间还存在制约关系，难以同时实现超薄、无漏电、低寄生吸收的HTL，共蒸镀也增加了工艺的复杂度。因此，探究n-i-p叠层电池中HTL的材料和厚度窗口，优化HTL的光学与电性能权衡，对于探索高效率的n-i-p钙钛矿/晶硅叠层电池具有重要意义。

Dopant-Free Ultra-Thin spiro-OMeTAD Enables Near 30%-Efficient n-i-p Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

Xiangying Xue#, Weichuang Yang#*, Zhiqin Ying, Fangfang Cao, Yuheng Zeng, Zhenhai Yang*, Xi Yang*, Jichun Ye*

Nano-Micro Letters (2026)18: 116

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01962-3

本文亮点

1. 光学损耗大幅降低：10 nm超薄spiro-OMeTAD膜相比传统200 nm厚膜，寄生吸收减少92.2%，反射损耗降低18.4%，显著提升全光谱光利用率。

2. 电性能协同优化：利用2D/3D钙钛矿异质结实现spiro-OMeTAD膜的均匀覆盖，优化能级对齐并钝化界面缺陷，兼顾载流子提取效率与缺陷容忍度。

3. 效率稳定性双突破：器件效率达29.73%(1.012 cm2面积认证效率28.25%)，为基于spiro-OMeTAD的n-i-p叠层电池最高值；工作条件下稳定性提升11倍，1000小时光照后仍保持88%初始效率。

内容简介

针对n-i-p钙钛矿/硅叠层电池的光学与稳定性瓶颈，中国科学院宁波材料所叶继春、杨伟创、杨阵海、杨熹等人跳出传统旋涂HTL导致膜厚难以调控的局限，提出“异质结调控+蒸镀超薄HTL”的协同策略。通过真空热蒸发技术(VTE)制备10 nm非掺杂的spiro-OMeTAD HTL，从源头减少光学损耗；在钙钛矿表面构建的2D/3D异质结，既解决超薄HTL膜层的覆盖不全问题，又通过优化能级排列提升载流子选择性，实现了光学性能与电学性能的同步提升。另外，超薄无掺杂spiro-OMeTAD避免了吸湿性掺杂剂对稳定性的不利影响，为实现高效稳定叠层太阳能电池的制备提供了可行的技术路径。

图文导读

I 厚度优化+异质结调控：光学电学性能的双重增益

如图1所示，采用带隙约1.68 eV的有机无机杂化混合卤素钙钛矿作为顶电池吸收层，搭配硅异质结电池作为底电池，通过真空热蒸发技术制备10 nm无掺杂spiro-OMeTAD空穴传输层，并结合2D/3D钙钛矿异质结构建n-i-p结构钙钛矿/硅叠层太阳能电池在0.135 cm2面积下实现29.73%的高转换效率，1.012 cm2面积经第三方认证效率达28.25%，与传统旋涂200 nm厚spiro-OMeTAD的器件相比，其短路电流密度从17.82 mA/cm2显著提升至19.09，钙钛矿顶电池与硅底电池的积分电流也分别从17.85、17.78 mA/cm2提升至19.10、19.01 mA/cm2，这主要得益于超薄空穴传输层使寄生吸收减少92.2%、反射损耗降低18.4%，尤其改善了硅电池在800~1000 nm红外波段的光吸收；数值模拟进一步证实，spiro-OMeTAD厚度从150 nm减至10 nm时，反射和寄生吸收导致的光生电流损失大幅降低，且当IZO厚度<83 nm且spiro-OMeTAD厚度< 52nm时，电池光生电流密度可超过19 mA/cm2，相较于现有基于spiro-OMeTAD的n-i-p叠层电池，通过提升短路电流密度实现了更高转换效率。该结果中的硅底电池未采用平面结构，未来采用绒面的硅底电池，有望进一步将短路电流密度提升至20 mA/cm2以上，推动转换效率突破30%。

图1. n-i-p钙钛矿/晶硅叠层的太阳能电池的光电性能测试与模拟。

II 基于2D/3D异质结的超薄spiro-OMeTAD界面调控与性能优化

本研究提出通过2D/3D钙钛矿异质结辅助spiro-OMeTAD的厚度优化。直接减薄spiro-OMeTAD易导致膜层覆盖不全、漏电流增加，且无掺杂状态会降低空穴提取能力，而2D/3D异质结通过表面修饰解决了这一矛盾：选用BAI等2D钝化材料，经浓度优化后在3D钙钛矿表面形成覆盖层，使表面粗糙度下降，为10 nm厚spiro-OMeTAD提供均匀沉积基底；GIWAXS与AFM-IR表征显示，异质结诱导spiro-OMeTAD分子有序排列，形成致密吸附层，有效抑制漏电流并提升界面缺陷容忍度。实验表明，10 nm厚无掺杂spiro-OMeTAD在2D/3D钙钛矿异质结辅助下实现最佳性能，其寄生吸收显著低于传统旋涂厚膜，且短路电流密度提升主要源于厚度优化而非掺杂剂去除，同时该结构下的spiro-OMeTAD寄生吸收损失低于p-i-n叠层中常用的VTE沉积C₆₀电子传输材料，为叠层电池的光学与电学性能的协同提升奠定基础。

图2. 在2D/3D钙钛矿异质结上采用VTE沉积spiro-OMeTAD的电学特性。

III 2D/3D异质结助力实现超薄HTL的机制探究

通过UPS、KPFM等表征与数值模拟，揭示了界面调控的关键机制。2D钙钛矿的引入诱导spiro-OMeTAD发生向上带弯曲，深化其价带顶(VBM)，缩小与钙钛矿VBM的能量差，同时改善分子排列，促进载流子传输；KPFM测试显示，PVK/2D/spiro-OMeTAD样品的接触电位差(CPD)平均达1.45 V，高于PVK/spiro-OMeTAD的1.20 V，且CPD分布半峰宽从203 mV缩减至122 mV，证明spiro-OMeTAD覆盖均匀性显著提升。准费米能级分裂(QFLS)测试表明，PVK/2D/spiro-OMeTAD的QFLS(1.196 eV)高于PVK/spiro-OMeTAD(1.162 eV)，源于界面缺陷减少带来的非辐射复合抑制。数值模拟进一步证实，无2D异质结时，器件需同时满足spiro-OMeTAD厚度< 20 nm且界面缺陷密度< 101⁰ cm⁻2才能实现> 29%的效率；而引入2D层后，10 nm厚spiro-OMeTAD在缺陷密度10⁹-1012cm⁻2范围内均能达到高效率，缺陷耐受性大幅提升。能带模拟显示，2D异质结使钙钛矿顶电池的QFLS从955mV提升至1080mV，虽硅底电池QFLS略有下降，但整体器件的电荷传输与重组平衡得到优化，为高效运行奠定基础。

图3. 能带结构与界面缺陷对器件性能的影响。

IV 载流子动力学优化：2D/3D异质结加速电荷传输与抑制复合

稳态PL测试显示，2D钙钛矿层单独修饰时会降低钙钛矿的PL强度，但与spiro-OMeTAD结合后，PVK/2D/spiro-OMeTAD样品的PL强度反而高于PVK/spiro-OMeTAD，与QFLS测试结果一致，证实2D层能抑制界面非辐射复合。TrPL曲线呈现双指数衰减特征，PVK/2D和PVK/2D/spiro-OMeTAD样品的微分寿命最终均超过1.5 μs，表明界面复合损失最小化；电荷转移过程的饱和时间从PVK/spiro-OMeTAD的75 ns缩短至60 ns，说明2D层加速了电荷传输。TAS测试进一步验证，2D层修饰后样品的载流子传输快寿命(4.29 ps)更短、陷阱辅助复合长寿命(288 ps)更长，且在544 nm处出现延迟1 ps的特征峰，直接证明电荷从3D钙钛矿向2D钙钛矿及spiro-OMeTAD的高效转移。这些结果表明，2D/3D异质结与超薄spiro-OMeTAD的协同作用，既提升了电荷提取效率，又抑制了非辐射复合，为器件高效运行提供了动力学保障。

图4. 基于VTE沉积技术在2D钙钛矿基底上制备的spiro-OMeTAD的电学性能表征。

V 稳定性：非掺杂超薄spiro-OMeTAD与2D/3D异质结的协同作用

本研究通过多维度表征验证其长期运行可靠性的提升。接触角测试显示，VTE沉积的spiro-OMeTAD初始接触角为84.29°，空气暴露5天后仅轻微降至81.10°，而传统旋涂掺杂样品从72.64°骤降至10.60°，且前者表面形貌始终保持致密，无Li盐结晶和相分离问题，这源于无掺杂设计避免了吸湿性掺杂剂的负面影响。加速老化实验中，PVK/2D/spiro-OMeTAD样品的光学吸收衰减显著慢于PVK/2D，XRD表征证实其经1500小时环境老化后，仍保留清晰的2D和3D钙钛矿特征峰，PbI2含量无明显增加。稳定性测试表明，封装的半透明单结电池在1000小时光照下保持88%初始效率，未封装的钙钛矿/硅叠层电池T80寿命达110小时，是传统旋涂掺杂器件的11倍。研究同时指出，器件初期效率下降可能与spiro-OMeTAD与钙钛矿能级排列不完善导致的光生载流子积累有关，未来需开发与宽带隙钙钛矿更匹配的HTL材料，进一步释放器件稳定性与效率潜力。

图5. 采用VTE spiro-OMeTAD的器件稳定性测试。

VI 总结

本研究通过真空热蒸发制备的10 nm非掺杂spiro-OMeTAD与2D/3D钙钛矿异质结的协同策略，同步提高了n-i-p钙钛矿/硅叠层电池的效率与稳定性。该方法通过工艺优化与界面调控，实现了29.73%的高效转换与稳定运行。同时，本研究还指出了n-i-p叠层电池实现效率突破的光学结构前提，为设计新型HTL并实现叠层太阳能电池的性能突破提供了新的理论和实验参考。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 中科院宁波材料所叶继春&苏州大学杨阵海等：蒸镀超薄spiro-OMeTAD助力n-i-p钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池效率与稳定性突破