全钙钛矿串联太阳能组件的商业化进程受到传统金基隧穿复合结（TRJ）的制约。具体而言，该TRJ引入了显著的近红外寄生吸收，且存在界面不稳定性问题，同时限制了光电流产生和运行耐久性。作者开发了一种基于表面工程氧化铟（In₂O₃）纳米晶的溶液法互连层，该材料具有高光学透明度，其中可控的纳米晶形貌和定制化的配体化学实现了平滑的界面接触和有利的能级对齐。关键地，作者在铅锡（Pb-Sn）钙钛矿前驱体中引入了一种膦酸添加剂，该添加剂协同改善了与In₂O₃复合层的电子接触，从而增强了空穴提取。此外，该添加剂调控钙钛矿结晶过程以缓解成膜过程中的残余应变，确保了大面积沉积的高质量。这种界面与结晶协同工程策略同时增强了互连层处的载流子复合效率、改善了载流子提取，并促进了大面积全钙钛矿串联组件的薄膜均匀性。最终，一个65 cm²的全钙钛矿串联太阳能组件获得了26.2%的认证功率转换效率，开路电压为2.182 V，填充因子为77.4%，短路电流密度为15.6 mA cm⁻²（以平均子电池性能计），该结果由日本电气安全与环境技术实验室（JET）测量。这一成果标志着向可扩展的钙钛矿串联光伏技术迈出了重要一步。
研究背景
光伏技术的持续进步是应对全球能源挑战的关键路径之一。近年来，金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能、溶液可加工性和不断提升的稳定性，已成为下一代光伏技术的有力竞争者。在单结钙钛矿电池效率逐步逼近其理论极限的背景下，构建全钙钛矿串联结构——即将宽带隙和窄带隙钙钛矿子电池纵向堆叠——被视为突破单结Shockley-Queisser极限的有效策略。这种结构能够更充分地利用太阳光谱，理论上可实现超过40%的效率。然而，将这一优势从实验室级别的小面积器件（约0.1 cm²）推广至大面积组件（≥20 cm²）时，面临着严峻的性能衰减，核心挑战在于大面积器件中短路电流密度（J_SC）显著低于理论预期（通常<15 mA cm⁻²），而这与传统隧穿复合结（TRJ）的光学损耗和界面不稳定性密切相关。
在全钙钛矿串联器件的架构中，隧穿复合结承担着连接两个子电池、实现载流子高效复合的关键功能。当前报道的高效器件普遍采用一种“ALD-SnO₂/超薄Au/PEDOT:PSS”的TRJ构型，其中金层作为复合中心，PEDOT:PSS作为空穴传输层。该构型在小面积器件中取得了超过30%的效率记录。然而，这一设计在放大制备时暴露出多重固有缺陷：
光学损耗：金层和PEDOT:PSS层在近红外区域（700–1100 nm）存在显著的寄生吸收，直接削减了窄带隙底部子电池的光子利用率；
界面不稳定性：PEDOT:PSS的酸性和吸湿性会诱发Pb-Sn钙钛矿的界面分解，在85°C热应力下，基于该TRJ的组件效率在50小时内即衰减过半；
大面积不均匀性：超薄金的热蒸发工艺在大面积衬底上难以实现厚度均匀性，而均匀性恰恰是组件性能一致性的前提。
为突破这些限制，研究者尝试以金属氧化物（如NiOₓ）、有机小分子和自组装单分子层（SAMs）替代PEDOT:PSS。其中，SAMs因寄生吸收低、选择性好而受到关注，但其在大面积涂布过程中易出现非均匀覆盖，且与Pb-Sn钙钛矿的能级匹配欠佳，限制了电荷提取效率。此外，将SAM分子直接掺入钙钛矿前驱体的策略虽简化了工艺，却可能引发分子与钙钛矿体相之间的竞争配位，反而劣化结晶质量。因此，开发一种兼具高透光性、优异能级匹配、可溶液加工且稳定性出色的新型TRJ，是实现全钙钛矿串联组件产业化的核心科学需求。
大面积全钙钛矿串联组件的效率远落后于小面积器件，而这一差距的主因——金/PEDOT:PSS基TRJ——已接近其性能天花板。
大面积组件中窄带隙子电池的J_SC普遍低于15 mA cm⁻²，而理论值可达17–18 mA cm⁻²，这近2–3 mA cm⁻²的差距直接导致组件效率损失约3–4个百分点（绝对值）；
大面积制备中，PEDOT:PSS涂布的均匀性随衬底尺寸增大而急剧恶化，且其酸性分解产物对Pb-Sn钙钛矿的破坏作用在模块级别被放大；
产业化的核心诉求——低成本、高良率、长寿命——要求TRJ必须摒弃贵金属和酸性聚合物，转而采用全溶液法、非贵金属、化学稳定的材料体系。
因此，该研究不是对小面积器件工艺的简单优化，而是针对大面积组件的本征瓶颈重新设计TRJ架构，其选题具有明确的产业导向性和技术原创性。
科学问题
如何通过界面工程与结晶调控的协同策略，在完全摒弃贵金属（Au）和酸性聚合物（PEDOT:PSS）的前提下，在大面积衬底上构建兼具高光学透明度、高效载流子复合能力和优异稳定性的隧穿复合结，从而使全钙钛矿串联太阳能组件在65 cm²尺度上实现超过26%的认证效率？
如何设计一种全溶液法加工的、非金属基的纳米晶复合层，使其在大面积上实现均匀、低缺陷的界面接触，同时消除近红外寄生吸收？
如何调控In₂O₃纳米晶的表面配体化学，使其功函数与Pb-Sn钙钛矿的价带顶实现近理想的能级对齐，从而降低空穴提取势垒？
如何在不引入额外界面层的前提下，通过体相添加剂工程同时实现Pb-Sn钙钛矿薄膜的结晶调控、残余应变释放和体相电荷输运增强，以满足大面积涂布的均匀性要求？
图文解析
Figure 1 比较了三种隧穿复合结（TRJ）架构的光学、形貌和电学特性，揭示了传统Au/PEDOT:PSS基TRJ在大面积组件中的寄生吸收、热不稳定性和均匀性缺陷，并验证了In₂O₃纳米晶基TRJ在透光性和可扩展性方面的本征优势。
图1(a) 示意了三种TRJ结构在单片全钙钛矿串联电池中的纵向排布：Type I为ALD-SnO₂/Au/PEDOT:PSS（传统构型），Type II为ALD-SnO₂/商用ITO纳米晶（无HTL），Type III为ALD-SnO₂/自合成In₂O₃纳米晶（无HTL）。该示意图清晰地表明，Type II和Type III通过去除Au和PEDOT:PSS层，有望从源头消除金属扩散和酸性分解的隐患。
图1(b) 展示了透射电子显微镜（TEM）图像，对比了商用ITO纳米晶与自合成In₂O₃纳米晶的尺寸分布。结果显示，In₂O₃纳米晶的粒径（约5–8 nm）显著小于ITO纳米晶（约15–20 nm），这一形貌特征为后续形成更平滑的埋底界面提供了结构基础。
图1(c) 的原子力显微镜（AFM）图像进一步量化了两种纳米晶层沉积在宽带隙子电池上的表面粗糙度。In₂O₃纳米晶层的均方根粗糙度（Rq）明显低于ITO纳米晶层，证明小尺寸纳米晶能够更紧密地堆叠、形成更连续的薄膜，从而减少界面接触缺陷密度。
图1(d) 展示了三种TRJ沉积在石英衬底上的吸收光谱，其中彩色区域标记了Pb-Sn窄带隙子电池的光响应范围（约700–1100 nm）。Type I在该波段表现出显著的寄生吸收，归因于金层的等离子体吸收和PEDOT:PSS的带间跃迁；而Type II和Type III在全光谱范围内均保持高透光性，其中Type III的透过率最高，证明In₂O₃纳米晶在近红外区域的光学损耗近乎可忽略。
图1(e) 报告了采用三种TRJ的封装组件在85°C环境下的热稳定性追踪。Type I组件在50小时内效率衰减至初始值的50%以下，而Type II和Type III在200小时后仍保留约75%的初始效率。这一对比直接证明了去除PEDOT:PSS对提升组件热稳定性的决定性作用，其衰减机制的差异源于PEDOT:PSS的酸性分解产物对Pb-Sn钙钛矿的侵蚀。
图1(f) 比较了在10×10 cm²衬底上通过热蒸发制备的超薄Au层、刮涂法制备的ITO纳米晶层和In₂O₃纳米晶层的光吸收均匀性。Au层在8个测量点间表现出显著的光密度波动，反映出热蒸发工艺在大面积上的厚度不均匀性；而两种刮涂纳米晶层在全衬底范围内均保持高度一致的吸收强度，凸显了溶液法纳米晶沉积在可扩展性上的本质优势。
图1(g) 汇总了65 cm²组件（14个子电池串联）采用三种TRJ的光伏参数统计。Type II和Type III组件的短路电流密度（J_SC）较Type I显著提升，证实了寄生吸收消除后底部子电池光电流增益的有效性。然而，Type II和Type III的开路电压（V_OC）和填充因子（FF）较Type I有所下降，表明PEDOT:PSS的移除在降低光学损耗的同时，也消除了其作为空穴提取层的功能，导致界面处非辐射复合增加和电荷输运势垒的形成。这一结果表明，纳米晶TRJ在解决光学问题的同时，必须进一步通过界面能级工程来恢复电压和填充因子。
Figure 2 聚焦于电荷传输的协同优化策略，通过表面配体工程调控In₂O₃纳米晶的功函数、结合膦酸基空穴选择材料（HSM）的体相掺杂，实现了In₂O₃/Pb-Sn钙钛矿界面的近理想能级对齐，并在HTL-free器件中获得了24.0%的单结效率。
图2(a) 示意了该协同优化策略的双重路径：一方面，对In₂O₃纳米晶进行表面配体置换——从原始的油胺（OAm）配体替换为MMES或MMPA配体——以调控其费米能级位置；另一方面，将膦酸基HSM（以MeO-2PACz为代表）直接掺入Pb-Sn钙钛矿前驱体，使其在结晶过程中分布于体相和晶界处，从而在不引入额外界面层的前提下增强体相空穴输运。
图2(b) 展示了在施加偏压条件下测得的紫外光电子能谱（UPS）二次电子截止边。通过该数据可确定各薄膜的功函数（Φ），其中目标钙钛矿薄膜（含MeO-2PACz）的功函数从对照组的5.04 eV移至4.81 eV，表明其表面电子逸出功降低，n型特征减弱。
图2(c) 聚焦于零偏压条件下的费米边区域，用以准确确定价带顶（VBM）的位置。目标薄膜的VBM从对照组的5.70 eV移至5.31 eV。功函数的降低与VBM的上移共同表明，HSM的掺入有效调控了钙钛矿表面的能带弯曲方向。
图2(d) 整合了UPS结果，绘制了不同配体封端的In₂O₃纳米晶、对照与目标钙钛矿薄膜以及C₆₀电子传输层之间的能级对齐图。关键发现是：MMPA封端的In₂O₃纳米晶的价带边与目标钙钛矿的VBM之间差异最小，形成近Ohmic的空穴提取接触；而OAm和MMES封端的In₂O₃则存在较大的价带偏移，形成空穴提取势垒。这一能带对齐的差异直接决定了后续器件性能的分化。
图2(e) 展示了通过逐步减薄PEDOT:PSS层厚度（从24 nm至完全去除）来验证体相HSM掺入对空穴输运贡献的实验结果。在对照组（不含HSM）中，随着PEDOT:PSS厚度减小，器件效率急剧下降；而在目标组（含HSM）中，即使完全去除PEDOT:PSS，器件仍保持高效率，且J_SC随PEDOT:PSS减薄而持续提升——这一趋势明确证明：HSM的体相掺入能够有效替代PEDOT:PSS的空穴提取功能，同时避免了PEDOT:PSS的寄生吸收。
图2(f) 对比了采用不同配体封端的In₂O₃纳米晶作为唯一空穴接触层的Pb-Sn单结电池的J-V曲线。In₂O₃-MMPA基器件实现了24.0%的冠军效率，V_OC为0.859 V，J_SC为33.8 mA cm⁻²，FF达82.6%，显著优于In₂O₃-OAm和In₂O₃-MMES基器件。这一效率差距与图2(d)的能级对齐预测完全吻合，验证了能带工程设计的有效性。
图2(g) 展示了相应器件的外量子效率（EQE）光谱及其积分电流。In₂O₃-MMPA器件的积分J_SC达33.2 mA cm⁻²，远超OAm（31.3 mA cm⁻²）和MMES（32.4 mA cm⁻²）器件，直接证实了优化能级对齐后空穴提取效率的提升以及光生载流子收集率的增加。
Figure 3 从结晶化学和载流子动力学两个层面揭示了HSM添加剂的多功能性：通过抑制FA⁺去质子化反应消除PbI₂杂质相、缓解晶格应变、增强晶界钝化，从而使Pb-Sn钙钛矿薄膜的载流子寿命延长至1889 ns、扩散长度提升至4.78 μm。
图3(a) 的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱对比了对照与目标Pb-Sn钙钛矿薄膜的结晶取向和相纯度。对照组在Q≈9.5 nm⁻¹附近出现归属于PbI₂的衍射环，而目标薄膜中该信号几乎消失，表明HSM的掺入有效抑制了PbI₂杂质的形成。
图3(b) 的液相¹H核磁共振（NMR）谱解释了上述抑制作用的化学起源。当HSM与FAI混合于DMSO-d₆溶液中时，膦酸基团（P-OH）的质子信号完全消失，表明膦酸在溶液中被FA⁺去质子化。同时，FA⁺的质子峰从宽峰演化为分辨良好的多重峰，表明去质子化的HSM物种与FA⁺之间存在弱相互作用。这种作用优先消耗了游离的酸性膦酸基团，从而避免了这些质子直接诱导FA⁺的去质子化（后者将产生FA₀和HI，进而促进PbI₂形成）。
图3(c) 的瞬态吸收光谱（TAS）显示了对照与目标薄膜在930 nm附近的光漂白峰位置一致，表明两者具有相同的钙钛矿相组成和带隙，排除了HSM引起带隙变化的可能性。
图3(d) 的TAS衰减动力学分析表明，目标薄膜的慢衰减组分占比显著增加。其中快速衰减归因于缺陷辅助的非辐射复合，慢速衰减对应于自由载流子的辐射复合。HSM掺入后慢组分的增强直接反映了缺陷态密度的降低。
图3(e) 的稳态光致发光（PL）光谱显示，目标薄膜的PL强度约为对照组的2倍，表明非辐射复合通道被有效抑制。
图3(f) 的时间分辨PL（TRPL）衰减曲线经双指数拟合后，目标薄膜的平均载流子寿命（τ=1889 ns）远长于对照薄膜（τ=1042 ns）。这一长达近1 μs的寿命提升归因于HSM在晶界处的化学钝化效应，即P=O键中的氧孤对电子与欠配位的Pb²⁺/Sn²⁺形成配位键，从而终止了晶界处的悬空键缺陷。
图3(g) 通过光学泵浦-太赫兹探针（OPTP）光谱提取了载流子迁移率和扩散长度。目标薄膜的迁移率为36 cm² V⁻¹ s⁻¹，扩散长度为4.78 μm，显著优于对照薄膜的20 cm² V⁻¹ s⁻¹和2.65 μm。扩散长度的倍增意味着光生载流子能够更有效地从薄膜体相迁移至电极界面被收集，是大面积器件中获得高J_SC和FF的关键微观基础。
Figure 4 将前述的纳米晶TRJ与HSM结晶调控策略整合至65 cm²全钙钛矿串联组件中，实现了26.6%的实验室效率（JET认证26.2%），并在多项国际标准稳定性测试中展现出显著优于传统构型的可靠性。
图4(a) 展示了沿刮涂方向4个不同位置处Pb-Sn钙钛矿薄膜的数码照片和扫描电镜（SEM）图像。对照组在涂布起始端（位置1）表现出明显的晶粒压缩和表面不均匀性，归因于刮涂初期溶剂挥发过快导致的过量成核和后续晶粒生长受限；而目标薄膜在4个位置均呈现一致的晶粒尺寸和表面形貌，证明HSM的掺入有效抑制了刮涂起始端的暴发成核，使结晶过程在整个涂布路径上趋于同步化。
图4(b) 的X射线衍射（XRD）图谱中，（100）衍射峰的位移被用作晶格应变的探针。以刮下的无应变粉末为参照，对照组薄膜的（100）峰向高角度偏移，表明存在压应变——这是快速结晶过程中晶粒相互挤压所致。目标薄膜的峰位更接近粉末参照，峰宽更窄，表明HSM在晶界处的分布有效缓冲了晶格应力，释放了残余应变。
图4(c) 对比了基于Type III TRJ的Pb-Sn单结太阳能组件的J-V曲线。目标组件（含HSM）的冠军效率达19.9%，V_OC为43.0 V，J_SC为0.67 mA cm⁻²（组件级别电流），FF为69.5%，而对照组仅13.8%。这一差异直接反映了大面积均匀性和晶格应变释放对组件性能的决定性影响。
图4(d) 展示了采用Type I（传统Au/PEDOT:PSS）与Type III（In₂O₃-MMPA纳米晶+HSM）TRJ的全钙钛矿串联组件的J-V曲线。Type III冠军组件实现了26.6%的反向扫描效率（JET认证稳定效率26.2%），V_OC达30.4 V，J_SC为1.12 mA cm⁻²（组件级），FF为78.2%；而Type I组件效率为24.9%。Type III组件的性能增益主要源于J_SC的提升（从1.09到1.12 mA cm⁻²）和V_OC的显著增加（从29.3到30.4 V），其中V_OC的恢复验证了图2中能级对齐优化的有效性。
图4(e) 展示了在组件16个不同位置测量的EQE光谱统计结果。顶部（宽带隙）和底部（窄带隙）子电池的积分J_SC平均值分别为16.3和16.2 mA cm⁻²（以子电池面积归一化），与J-V测试结果高度一致，且空间分布均匀，标准偏差极小。这一数据直接证明了大面积组件中各子电池的光电流匹配性和工艺再现性。
图4(f) 报告了封装组件在模拟1倍太阳光照下、最大功率点（MPP）追踪的运行稳定性。Type III组件在771小时后仍保留90%初始效率（T90），1000小时后保留82.5%（T82.5）。而Type I组件在同一条件下的衰减速率显著更快。作者将Type III剩余的性能衰减归因于MAFA钙钛矿本征的不稳定性，而非TRJ的失效。此外，在ISOS-L-3（65°C开路光照）、ISOS-D-3（85°C/85% RH湿热）和ISOS-T-3（-40°C至85°C热循环）等严苛测试中，Type III组件均展现出系统性的稳定性优势，进一步证实了全溶液法、无金、无PEDOT:PSS的纳米晶TRJ架构在可靠性方面的本质优越性。
结论
该研究通过纳米晶界面工程与体相结晶调控的协同策略，成功攻克了全钙钛矿串联太阳能组件在放大制备过程中的核心瓶颈——传统金/PEDOT:PSS基隧穿复合结的寄生吸收、界面不稳定性和大面积不均匀性问题。主要结论如下：
第一，基于自合成In₂O₃纳米晶的TRJ完全摒弃了贵金属和酸性聚合物，其小尺寸纳米晶形貌（约5–8 nm）和可调表面配体化学实现了平滑的埋底界面和近理想能级对齐，同时消除了近红外波段的寄生吸收。相较于商用ITO纳米晶和传统Au/PEDOT:PSS结构，In₂O₃纳米晶TRJ在光学透光性、热稳定性和大面积涂布均匀性方面均展现出系统性优势。
第二，膦酸基HSM（MeO-2PACz）的多功能性是关键突破点：它不仅通过P=O配位钝化晶界缺陷、提升体相空穴迁移率（36 cm² V⁻¹ s⁻¹），还通过抑制FA⁺去质子化反应消除了PbI₂杂质相，并通过晶界应力缓冲释放了刮涂过程中的残余压应变。这些协同效应使得Pb-Sn钙钛矿薄膜的载流子扩散长度从2.65 μm延长至4.78 μm。
第三，将上述策略整合至65 cm²大面积组件后，获得了JET认证的26.2%稳定效率，J_SC达15.6 mA cm⁻²（子电池平均），V_OC为2.182 V，FF为77.4%，并实现了771小时T90的运行稳定性。该组件在ISOS-L-3、D-3和T-3等国际标准稳定性测试中的表现均大幅超越传统TRJ构型。
该研究不仅为全钙钛矿串联光伏技术提供了一条切实可行的产业化路径，更建立了一种“纳米晶复合层+体相添加剂”协同设计的范式，为其他薄膜光电器件（如叠层有机光伏、钙钛矿/硅叠层等）的大面积化提供了方法学参考。
论文信息：
Xiao, K., Sun, H., Kong, X.et al. Nanocrystal-tailored recombination for all-perovskite tandem solar modules.
Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10768-1
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