他,南京大学校友/港城大独立PI,最新Nature Energy!

然而，在实际运行环境中，组件常面临部分遮阴（如灰尘、树叶、建筑物遮挡）导致的反向偏压应力，这会引发局部过热、材料分解和离子迁移等问题，严重威胁器件的长期稳定性。

特别是在叠层结构中，当钙钛矿子电池性能退化限制电流时，硅底电池的保护作用被削弱，使得整个组件更容易遭受反向偏压损伤。

尽管研究人员已观察到反向偏压下的异常滞后、相分离和缺陷重分布等现象，但关于介电响应和电场分布对器件失效的物理机制仍缺乏深入理解。

介电常数失配导致的界面电场不连续性被认为是引发载流子隧穿和界面反应的关键因素，但如何通过界面工程有效调控电场分布以提升反向偏压稳定性，仍是该领域亟待解决的核心挑战。

近日，香港城市大学朱宗龙、深圳技术大学肖爽、香港中文大学Martin Stolterfoht、正泰新能科技股份有限公司Zijia Li、牛津大学Ruy Sebastian Bonilla和在Nature Energy发表了题为"Improving the stability of monolithic perovskite/silicon tandems against reverse-bias stress using graded dielectric layers"的研究论文。

1. 揭示了钙钛矿/C₆₀界面介电常数失配导致的电场不连续性是反向偏压失效的核心物理机制 2. 创新性地提出梯度介电层（GDL）策略，通过介电常数梯度设计消除界面电场畸变 3. 实现了认证效率33.76%的HJT硅叠层电池和34.03%的TOPCon硅叠层电池 4. 在-15 V反向偏压下1000小时后仍保持92.23%的初始效率，显著提升了器件稳定性 5. 多电池组件在遮阴应力下1000小时后保持90.17%性能，验证了该策略的规模化应用潜力

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钙钛矿/硅叠层太阳能电池面临严峻的稳定性挑战，包括在部分遮阴条件下产生的严重反向偏压退化。该研究展示了钙钛矿与C₆₀层之间介电常数失配引起的界面电场不连续性会触发突发电压击穿并加速不稳定性。这种介电失配在反向偏压下驱动载流子隧穿和界面反应。

为缓解这些效应，研究团队引入了梯度介电层来平滑电场分布，纠正异常能带弯曲以减少隧穿电流并抑制卤素离子积累。

叠层器件在硅异质结和隧穿氧化层钝化接触结构上分别实现了34.18%（认证：33.76%）和34.03%的效率，并在-15 V条件下1000小时后保持超过92%的初始效率。

大面积多电池组件达到31.00%的效率，在遮阴应力下1000小时后保持超过90%的初始值。该工作推进了钙钛矿/硅叠层太阳能电池在真实工况下的发展。

📊 图文解读

图1 | 叠层太阳能电池在反向偏压下的失效特征分析

该图展示了钙钛矿/硅叠层器件在反向偏压应力下的热失效行为。红外热成像显示在30%遮阴比例下出现372.2 K的局部过热点，单结钙钛矿器件在-10 V偏压下温度升至344.4 K。J-V曲线揭示了钙钛矿材料较低的击穿电压特性。

电-热耦合模拟表明，与单结钙钛矿组件相比，叠层组件在遮阴条件下表现出更陡峭的功率衰减（10%遮阴时降至54.79%）和更高的峰值温度（549 K vs 497 K），表明其热失效风险更为严峻。

图2 | 反向偏压失效机理与梯度介电层策略设计

该图阐明了介电常数失配导致的电场不连续性是反向偏压失效的核心机制。模拟结果显示，钙钛矿（εr=23.13）与C₆₀（εr=2.47）之间巨大的介电差异在界面处产生电场畸变，促进空穴隧穿和氧化还原反应。

为此提出了梯度介电层（GDL）策略，通过低介电常数层（GDLL2）和中介电常数层（GDLL1）的组合平滑电场分布。

通过定义介电因子（DF）量化不同材料组合的界面电场均匀化能力，筛选出DF最接近1的p-F-PEAI/MoS₂组合（GDL 1），有效抑制了反向偏压老化后的能带弯曲。

图3 | GDL策略对界面电场和离子迁移的调控机制

该图展示了GDL策略如何消除卤素离子积累和异常能带弯曲。能带模拟显示GDL基器件在-2 V反向偏压下呈现浅势垒和抑制的隧穿电流，而参考器件（REF）表现出剧烈的能带弯曲。

热导纳光谱测得GDL器件的离子迁移活化能（Ea=0.260 eV）显著高于参考器件（Ea=0.161 eV）。飞行时间二次离子质谱证实GDL有效阻止了I⁻和Br⁻在C₆₀侧的积累。

光致发光跟踪显示，反向偏压老化后GDL基器件保持了均匀的准费米能级分裂（QFLS），而参考器件出现明显的QFLS-eVOC失配。

图4 | 器件光伏性能与长期稳定性评估

该图展示了基于GDL策略的叠层器件性能与稳定性。与HJT硅底电池集成的器件实现了34.18%的效率（认证33.76%），与TOPCon硅集成的器件达到34.03%。统计分布显示15个器件的性能一致性。

在ISOS-V-1协议（-15 V）下，器件1000小时后保持92.23%的初始效率；在ISOS-L-1（最大功率点跟踪）和ISOS-LC-1（光照循环）测试中表现出优异的稳定性。七电池组件在遮阴应力测试1000小时后保持90.17%的初始性能，验证了该策略在组件级别的有效性。

📝 总结

反向偏压诱导的失效仍是钙钛矿/硅叠层太阳能电池面临的关键挑战。该研究识别出由介电常数失配导致的钙钛矿-C₆₀界面电场不连续性会增强反向偏压应力下的空穴隧穿。GDL策略通过消除介电常数失配解决了这种不连续性，从而抑制异常能带弯曲。

这使得与HJT硅（达到34.18%和认证33.76%）和TOPCon硅（34.03%）集成的叠层太阳能电池在整体效率提升的同时，在-15 V反向偏压下1000小时后仍保持92.23%的初始效率。

关键的是，当应用于多电池组件（31.00%效率）时，GDL策略在1000小时遮阴应力后保持90.17%的初始性能。该工作提供了一种可扩展的界面工程解决方案，同时解决了钙钛矿基叠层光伏中的效率和稳定性挑战。

Improving the stability of monolithic perovskite/silicon tandems against reverse-bias stress using graded dielectric layers,Nature Energy,2026,DOI:10.1038/s41560-026-02067-w