钙钛矿太阳能电池（PSCs）因高效率和低加工成本而成为下一代光伏技术的焦点，其中倒置（p-i-n）结构因低温可加工性和与硅底电池的兼容性备受关注。然而，其实验室级别的优异性能通常依赖惰性气氛中的旋涂法制备，难以向工业级环境规模化过渡。在空气中采用刮涂等大面积工艺时，空穴传输材料（HTM）的浸润性、均匀性、界面稳定性以及与钙钛矿层的能级匹配成为关键瓶颈。传统HTM如小分子自组装单层（SAMs，如Me4PACz）虽能锚定ITO，但成膜不均且导电性差；聚合物PTAA则因疏水和弱粘附导致钙钛矿薄膜质量不佳。如何设计一种兼具强锚定、高导电、均匀可涂布且耐久的聚合物HTM，是环境条件下可规模化制备高效稳定PSCs的核心挑战。
南京大学陈尚尚、王伟团队联合佐治亚理工学院Antonio Facchetti、香港科技大学颜河、正泰新能李子佳等研究者报道了在环境空气中通过刮涂法制备的钙钛矿太阳能电池及组件，分别实现了26.6%（认证值26.5%）和23.2%的光电转换效率。这些器件表现出卓越的稳定性，在连续光照1,200小时后仍保留其初始效率的99.8%。这一突破得益于一种新型空穴传输共聚物——PNCC，它协同整合了三芳胺与咔唑膦酸单元。综合的光谱学、质谱学和形貌学分析揭示了PNCC优异功能背后的机制。此外，利用PNCC的高导电性和形貌均匀性，研究制备了单片钙钛矿/硅叠层电池，认证效率达33.0%。该工作为环境条件下制备的稳定光伏器件树立了新标杆，并为可持续太阳能利用提供了一条可行、可规模化的路径。
相关研究成果以“Scalable ambient fabrication of single-junction and perovskite–silicon tandem solar cells”为题，发表在Nature Sustainability上。
图文导读
图1 HTMs的表征
为揭示PNCC优异性能的化学与界面起源，团队首先表征了其结构及与ITO的相互作用。图1a展示了PNCC的共聚物结构，其中三芳胺单元的引入通过空间位阻抑制咔唑环化，使分子量较PACz均聚物提升约5倍。X射线光电子能谱（图1b）显示，PNCC和Me4PACz覆盖的ITO其In 3d峰向高结合能移动，而PTAA覆盖的ITO无偏移，结合C–P键特征峰，证实了膦酸基团与ITO的化学键合。稳态光致发光（PL，图1c）和时间分辨PL（TRPL，图1d）表明，PNCC上沉积的钙钛矿薄膜具有最高的PL强度和最长的寿命（非辐射复合显著抑制），且PL面内均匀性最佳。基于此，图1e示意了三种HTM在ITO上的堆叠行为：PTAA（6–7 nm）因无锚定基团且疏水，粘附弱、钙钛矿覆盖差；Me4PACz（1–3 nm）虽可锚定但成膜不均；而PNCC（9–10 nm）凭借沿主链分布的膦酸基团实现多点锚定，兼具厚膜高电导和界面钝化功能，为后续高性能器件奠定了结构基础。
图2 PSCs的光伏性能
为验证PNCC在真实器件中的优势，团队制备了玻璃/ITO/HTM/钙钛矿/C₆₀/BCP/Cu结构的单结电池，所有HTM和钙钛矿层均在空气中刮涂。图2a展示冠军器件的JV曲线，PNCC基电池开路电压（Voc）达1.19 V，填充因子（FF）为0.837，能量转换效率（PCE）为26.6%（认证26.5%），显著优于PTAA（23.8%）和Me4PACz（24.3%）。统计分布（图2b–d）显示PNCC具有最高的平均效率和最小的批次波动，且其稳态输出（图2e）和外部量子效率（EQE，图2f）积分电流均与JV吻合。为剖析陷阱态，团队采用驱动级电容剖析（DLCP，图2g–i）测量不同频率下的陷阱密度空间分布，发现PNCC基电池在HTM/钙钛矿界面附近的深陷阱密度（10 kHz）明显低于对比组（图2h,i），证明PNCC有效钝化了界面深能级缺陷，减少了非辐射复合，这是其Voc和FF提升的直接原因，也为后续稳定性提供了内在基础。
图3 通过EL映射进行空间均匀性分析
为排除光致发光中横向扩散干扰并评估完整器件在工况下的均匀性，团队建立了显微电致发光（EL）成像系统（图3a）。对三类器件施加正向偏压，记录EL强度与响应时间。图3b显示PNCC基电池的EL强度上升最快且饱和值最高，表明其界面陷阱最少、辐射复合效率最高；响应时间统计（图3c）中，PNCC和PTAA均快于Me4PACz，证实聚合物HTM的电荷传输本质优于SAM。更为关键的是，EL强度面分布图（图3d）和25个随机区域的统计表明，PNCC器件呈现均匀明亮的发射，而Me4PACz器件出现大量分散的发光中心，反映其薄膜覆盖不均。PNCC的优异宏观均匀性直接源自其刮涂时的良好浸润性和成膜质量，这确保了在大面积及织构化基底上性能的一致性，为其在组件和叠层中的成功应用提供了直接佐证。
图4 基于PNCC的钙钛矿太阳能器件的稳定性与可扩展性
稳定性是规模化应用的生命线。团队将封装电池在空气中、1个太阳光照下于最大功率点（MPP）追踪，结果如图4a–c所示。在40 °C下，PNCC基电池经1200小时光照仍保持99.8%初始效率，而PTAA和Me4PACz损失约50%；即使在65 °C和85 °C高温下，PNCC分别保持95.1%（1400小时）和92.8%（1200小时）的效率，远超对比组。该卓越稳定性归因于PNCC的多点膦酸锚定抑制了界面脱粘和ITO腐蚀，以及其钝化陷阱减少了光照诱导的降解。进一步，为展示可扩展性，团队制备了19.11 cm2孔径面积的钙钛矿组件（图4d），其PCE达23.2%（活性面积效率24.5%），开路电压8.44 V，短路电流64.2 mA，填充因子0.816。组件EL成像（图4d插图）显示整个活性区域无缺陷发光，证明PNCC在大面积刮涂中仍保持宏观均匀性。这些数据首次在环境空气中实现了兼具高效率、超长稳定性和组件级兼容性的PSCs，为工业制造提供了切实路径。
图5 钙钛矿叠层太阳能电池
PNCC的高导电性和均匀性使其成为叠层电池的理想HTM候选。织构化硅底电池（图5a）要求HTM在微米级金字塔表面实现保形覆盖，这是SAMs难以逾越的挑战。扫描电镜（图5b）显示，PNCC刮涂后完全贴合金字塔表面，无团聚或裸露区域，而PTAA和Me4PACz则出现明显聚集体。基于此，团队构建了宽带隙钙钛矿（1.69 eV）/硅异质结两端叠层电池，冠军PNCC器件JV曲线（图5c）给出Voc = 1.99 V，PCE达33.3%（认证33.0%），高于传统NiOx/Me4PACz对照组的31.2%。EQE光谱匹配良好，且18个器件平均效率为(32.0±0.5)%。PNCC还抑制了宽带隙钙钛矿的相分离，封装叠层电池在65 °C、1个太阳下1140小时后仍保持85%初始效率。该工作首次证明单一聚合物HTM可在织构化硅上实现高质量保形涂层，避免了复杂的多层氧化物/SAM堆叠，大幅简化了叠层制造工艺，为高效低成本叠层光伏开辟了新路径。
结论展望
通过PACz与三芳胺共聚，PNCC实现了对ITO的强多齿锚定、高电荷传输、优良浸润性和大面积均匀性。该HTM同时解决了单结和叠层器件的可扩展性与稳定性难题，为钙钛矿光伏的商业化提供了切实可行的材料设计策略，并显著提升了其环境可持续性。
文献信息
Wang, L., Hu, X., Niu, B. et al. Scalable ambient fabrication of single-junction and perovskite–silicon tandem solar cells. Nat Sustain (2026). https://doi.org/10.1038/s41893-026-01916-6
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