一、研究背景与问题
全钙钛矿叠层太阳能电池（APTSCs）结合了宽带隙（WBG）和窄带隙（NBG）锡-铅（Sn-Pb）钙钛矿的优势，已成为最具成本效益的超高效率光伏技术之一，已获得超过30%的认证效率。然而，在室温条件（ISOS-L-1）下的运行寿命已可与单结钙钛矿太阳能电池相媲美。
但在迈向光照-热量综合应力（ISOS-L-3）这一商业化关键可靠性标准的稳定性评估时，APTSCs表现出快速衰减，显著落后于先进的单结PSCs。根本原因在于Sn-Pb钙钛矿固有的高化学活性表面——即使经过化学还原和结晶调控，仍持续呈现无序和缺陷的表面状态，存在可检测的氧化产物（如SnI₄）。在光热应力下，缺陷辅助的组分挥发、SnI₄消耗AI组分以及自氧化等问题尤为突出，使其难以满足ISOS-L-3合规要求。
传统有机分子（尤其是二胺和二胺卤化物盐）在填充晶格缺陷、还原SnI₄和抛光Sn-Pb薄膜方面效果显著，但这些分子在光热条件下存在挥发和去质子化问题，限制了其在ISOS-L-3条件下的长期稳定性效果。
二、CsOH靶向转化策略
本研究开发了一种靶向转化策略，利用碱性氢氧化铯（CsOH）处理将亚稳态Sn-Pb表面转化为坚固的固体保护层。该方法释放OH⁻，介导SnI₄和缺陷表面的双转化——生成固体金属氧化物（MO），同时用Cs⁺替代挥发性有机阳离子。
密度泛函理论（DFT）计算表明，SnO₂的保护层分解能（ΔEde = 6.32 eV）远高于传统有机胺处理（EDASnI₄：1.97 eV），形成了热力学上极为稳固的保护结构。
- 金属氧化物保护层：将高度活泼的Sn-Pb表面转化为稳定的MO层，分解能提升至6.32 eV
- Cs⁺替代有机阳离子：消除挥发性有机组分，从根本上抑制NH₃逸出
- 机械强度增强：纳米压痕测试表明CsOH处理后表面杨氏模量显著提升
三、表面氧化与光热稳定性表征
气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析显示，CsOH处理的Sn-Pb薄膜在85°C老化200小时后，NH₃释放量显著低于对照组，表明有机阳离子的挥发得到有效抑制。UV-Vis吸收光谱进一步确认，CsOH处理组降解产物的吸光度显著低于传统胺处理对照组。
图1：Sn-Pb薄膜表面配置对其光热稳定性的影响。
X射线光电子能谱（XPS）分析O 1s峰证实，CsOH处理后在约530 eV处出现了明显的M-O键特征峰，表明金属氧化物保护层的形成。掠入射X射线衍射（GIXRD）进一步显示CsOH处理后表面晶格发生了有益的演化，薄膜应力状态得到改善。
图2：Sn-Pb表面的靶向坚固转化。
四、Sn-Pb钙钛矿薄膜与器件表征
扫描电子显微镜（SEM）和导原子力显微镜（c-AFM）显示，CsOH处理后Sn-Pb薄膜形貌更加均匀，电流分布更加均匀。瞬态吸收光谱（TA）分析表明，CsOH表面处理显著加速了载流子向C₆₀电子传输层的注入。准费米能级分裂（QFLS）分析显示，CsOH处理使QFLS值显著提升，有效降低了非辐射复合损失。
图3：Sn-Pb钙钛矿薄膜与PSC表征。
五、器件性能与ISOS-L-3稳定性
基于CsOH表面转化策略，研究团队制备了全钙钛矿叠层太阳能电池（APTSCs）。冠军器件J-V特性曲线显示，CsOH处理的APTSCs实现了29.52%的冠军效率（认证28.56%），显著优于传统胺（EDA）处理的对照组。外量子效率（EQE）光谱显示前后两个子电池的电流匹配良好（~15.6-15.8 mA/cm²）。
图4：APTSCs的光伏性能与稳定性。
六、技术启示与产业化意义
CsOH处理 vs 传统有机钝化的根本区别
传统有机分子钝化策略（如EDA）虽能有效改善室温稳定性，但有机分子在光热条件下会发生挥发和去质子化，导致长期稳定性不足。CsOH靶向转化策略则从根本上改变了表面结构——将动态弱相互作用的有机层替换为热力学稳定且机械强度高的无机金属氧化物保护层（SnO₂等），从根本上消除了光热衰减的根源。
ISOS-L-3稳定性的突破意义
ISOS-L-3条件（光照+高温）是评估钙钛矿光伏器件商业化可行性的最严苛标准之一。在此条件下，APTSCs 500小时后仍保持90.3%的初始效率，显著优于传统胺处理对照组，展示了该技术在真实户外环境应用中的潜力。虽然500小时距离产业化要求的数千小时仍有差距，但CsOH转化策略为持续改进提供了一个有希望的方向。