钙钛矿材料具有高吸收系数、可调带隙、优异的载流子输运性能以及低成本溶液加工等优势。凭借这些优势，钙钛矿太阳能电池作为一种前景广阔的新型光伏技术得到迅速发展。其中，反式（p–i–n型）钙钛矿太阳能电池具有器件结构简单、迟滞效应小以及易于与叠层电池集成等优势，近年来受到研究者广泛关注，其光电转换效率快速提升。然而，钙钛矿材料的本征缺陷和离子迁移，以及器件功能层在持续光照和热应力下的稳定性问题，使其长期运行稳定性仍面临挑战。因此，在进一步提高器件效率的同时增强界面稳定性，是推动反式钙钛矿太阳能电池发展的重要研究方向。

在反式钙钛矿太阳能电池中，位于C₆₀电子传输层和金属电极之间的阴极缓冲层（cathode buffer layer, CBL）直接影响电子提取、界面复合以及电极金属离子和卤素离子的迁移。常用的有机小分子BCP能够改善阴极界面接触，但其热稳定性和形貌稳定性有限，在持续光照和高温条件下容易发生迁移和结晶，导致界面退化并削弱其对电极金属离子迁移的阻挡作用。无机SnO₂具有较高的化学和热稳定性，是替代BCP的潜在材料；然而，采用原子层沉积等方法制备SnO₂对设备依赖度高且工艺成本昂贵，而溶液法制备的SnO₂纳米颗粒又存在晶面取向随机、表面缺陷较多等问题。因此，如何通过材料结构设计同时提升溶液法SnO₂的电子输运性能和界面稳定性，是实现高性能无机阴极缓冲层的关键。

在国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项的支持下，化学研究所有机固体实验室李永舫/孟磊团队提出了Ga掺杂调控SnO₂纳米颗粒晶面结构和表面化学的策略，制备了Ga掺杂SnO₂（Ga:SnO₂）纳米颗粒，并将其作为无机阴极缓冲层替代传统BCP。理论计算和结构表征结果表明，Ga掺杂使SnO₂(110)表面的形成能由2.43 eV降低至1.57 eV，促使热力学稳定的(110)晶面优先暴露；同时，Ga³⁺对Sn⁴⁺的部分取代调控了SnO₂的缺陷化学和电子结构，促进氧空位形成并提高自由电子浓度和电子迁移率，其中电子迁移率约为未掺杂SnO₂的3.2倍。另一方面，Ga掺杂显著减少了纳米颗粒表面羟基含量并降低电活性陷阱态密度，同时优化了SnO₂与C₆₀之间的能级匹配，从而促进界面电子提取并抑制非辐射复合。基于Ga:SnO₂阴极缓冲层的反式钙钛矿太阳能电池实现了27.06%的光电转换效率，第三方认证效率达到26.77%。进一步的TOF-SIMS分析表明，Ga:SnO₂能够有效抑制热应力下Ag向器件内部迁移及AgI的形成；在氮气氛围、85 ℃连续光照下进行最大功率点跟踪，未封装器件运行1500小时后仍保持初始效率的88%；在环境空气中开展的ISOS-L-1测试中，连续运行1500小时后仍保持初始效率的95%以上，表现出优异的长期运行稳定性。

该工作通过Ga掺杂实现了对SnO₂纳米颗粒晶面结构、电子结构和表面化学的协同调控，在保持溶液加工低成本和可扩展优势的同时，构筑了兼具高电子传输性能、低界面复合损失和优异热稳定性的无机阴极缓冲层，为实现高效、稳定的反式钙钛矿太阳能电池提供了新的材料设计思路。相关研究成果近日发表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI：10.1002/anie.3095986）。文章第一作者为博士生冯羿舜，通讯作者为孟磊研究员和李永舫研究员。

图. Ga掺杂调控SnO₂纳米颗粒晶面结构和表面化学及其在反式钙钛矿太阳能电池中的应用。(a, b) 未掺杂SnO₂和Ga:SnO₂纳米颗粒的高分辨透射电子显微镜图、暴露晶面统计及O 1s XPS谱；(c) 反式钙钛矿太阳能电池器件结构；(d) SnO₂和Ga:SnO₂的(110)表面形成能；(e) 采用Ga:SnO₂、SnO₂和BCP作为阴极缓冲层的器件电流密度–电压（J–V）曲线。

有机固体实验室

2026年9月3日