近日，我校材料科学与工程学院赵德威团队与苏州大学李孝峰、王长擂团队、嘉兴大学尹新星团队合作，揭示了锡铅（Sn-Pb）钙钛矿前驱体墨水在不同环境下的氧化机制和降解路径，并实现了对其氧化降解路径的精准阻断，相关成果以“Stable tin-lead perovskite inks for efficient all-perovskite tandems”为题发表于Nature Energy。四川大学为该论文通讯单位，我校材料科学与工程学院赵德威教授、苏州大学王长擂教授、李孝峰教授为共同通讯作者，苏州大学光电学院讲师马天舒博士、20级博士生赵玥、我校材料科学与工程学院21级博士生朱景伟、嘉兴大学尹新星副教授为共同第一作者。

钙钛矿/钙钛矿（全钙钛矿）叠层太阳能电池因突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟理论效率极限、柔性特质及制造成本相对低而备受关注。其中Sn-Pb钙钛矿太阳能电池是构建高效全钙钛矿叠层器件的关键，然而，其前驱体墨水中的Sn²⁺极易氧化，导致墨水快速降解，严重阻碍了Sn-Pb钙钛矿薄膜及器件的稳定性与可重复性。Sn-Pb钙钛矿的稳定性研究虽然已取得一定进展，但目前普遍采用试错法或高通量筛选抗氧化剂来延缓Sn-Pb钙钛矿薄膜的氧化过程，前驱体墨水在不同环境下的氧化机制和降解路径这一基本科学问题尚不清晰，从根源上系统揭示Sn-Pb钙钛矿墨水的氧化机制并精准阻断其降解路径对钙钛矿稳定性研究具有重要科学价值。

针对上述瓶颈问题，该研究系统揭示了Sn-Pb钙钛矿墨水在空气和氮气环境下的氧化机制，提出了通过碱性氨基酸硫酸盐（BAAS）分子设计来清除质子的策略，实现了对Sn-Pb钙钛矿墨水氧化降解路径的精准阻断。同时，研究颠覆传统认为溶液氧化后变红是由Sn⁴⁺离子导致的认知，证实红色主要归因于I₂单质，最终将Sn-Pb钙钛矿墨水存储稳定性提升300天以上。

此前，业界普遍认为Sn-Pb钙钛矿墨水氧化后由黄色变成红色是由Sn⁴⁺离子导致的。然而，常见的二氧化锡、四氯化锡等四价锡化合物溶液呈无色，而在合成MAI、PEAI等有机阳离子时，经常能观察到同样的红色，这种红色通常来源于氢碘酸（HI）被氧化后生成的碘。基于以上考虑，研究团队推测Sn-Pb钙钛矿墨水的氧化路径和HI及I₂密切相关，并通过系列表征提出了可能的氧化机理：在空气中，氧气是造成氧化的源头，Sn²⁺先被氧气氧化成Sn⁴⁺，生成的SnI₄水解产生HI，HI再被氧气氧化成I₂（红色）。而I₂又会继续跟SnI₂反应生成更多的SnI₄，形成完整的氧化循环。在填充氮气的几乎无氧的手套箱中，氧化主要源自DMSO。墨水中的有机阳离子分解产生的质子（H⁺）会活化DMSO，被活化的DMSO随后发生脱水反应，并从SnI₂获得两个电子生成SnI₄、二甲硫醚（DMS）和水。而SnI₄又会水解产生新的HI，继续推动这个循环。加热会加速这个过程，高温下FAI会分解成FA和HI，为氧化反应提供更多质子，同时加速DMSO活化，但温度本身不能直接导致DMSO氧化Sn²⁺。

在发现以上氧化机制的基础上，研究团队提出了BAAS氧化阻断策略，设计并合成了系列氧化阻断型添加剂。其中，硫酸三甘肽（Gly₃·H₃SO₄）展现出最佳性能：其氨基（-NH₂）作为质子清除剂，高效中和溶液中的过量质子，切断了DMSO催化的氧化路径；硫酸根离子（SO₄^2-）优先与Sn²⁺配位，形成了稳定的Sn²⁺-SO₄^2-键，钝化Sn²⁺离子缺陷并调控钙钛矿结晶过程。该策略不仅将钙钛矿墨水的储存稳定性延长至300天以上，还通过抑制晶格应变和缺陷，提升了薄膜质量和器件性能。最终，优化的Sn-Pb钙钛矿太阳能电池实现了24.06%的光电转换效率，构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池效率达到30.24%（认证29.56%），其在最大功率点跟踪1000小时后仍可保持初始效率的85%。

该研究首次系统厘清了不同环境下Sn-Pb钙钛矿前驱体墨水氧化降解机制，明确了质子催化氧化的核心诱因，实现了对钙钛矿氧化降解路径的精准阻断，弥补了行业内对Sn-Pb钙钛矿墨水本源氧化降解机制认知的不足。该研究将钙钛矿稳定性研究思路从“中后端修复氧化损伤”转变为“前端根源杜绝氧化”，可为钙钛矿“原料-墨水-薄膜-器件”的全路径稳定性研究提供重要参考，为功能导向型分子设计提供指导准则；同时，该工作将有力促进钙钛矿光电器件的稳定性研究，助力其工业化发展，具有重要的理论研究价值和商业化意义。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、四川省科技计划、中央高校基本科研业务费等经费支持。

图1. Sn-Pb钙钛矿墨水在不同环境下的氧化机制及阻断机理和器件性能图

文章链接https://www.nature.com/articles/s41560-026-02077-8

赵德威教授团队简介：

赵德威，四川大学教授，博士生导师，曾入选国家级青年人才、四川省学术和技术带头人、四川省杰出青年科技人才、四川省青年人才引进计划，曾获德国教育科技部“绿色精英奖(Green Talent)”和“可再生能源学会科学技术人物奖”等。多次入选科睿唯安“高被引科学家”和爱思唯尔中国高被引学者。主持国家重点研发计划课题、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”项目、国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目、四川大学工科特色团队等。2022年指导学生团队荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。

赵德威课题组长期研究高性能叠层光伏材料与器件的基础科学问题与关键技术应用。系统研发高质量钙钛矿吸光材料和具有功能导向的表/界面有机分子材料，深入探究了叠层电池关键吸光材料结晶调控、表/界面缺陷性质调控和中间连接层优化，及其与叠层器件性能的内在关联机制，解决了限制性能的核心瓶颈，研制的1 cm²全钙钛矿叠层电池刷新了世界纪录效率并两次被业界国际权威的《Solar cell efficiency tables》收录。成果入选2023年度“四川十大科学进展”。发表论文200余篇，包括Nature 1篇、Science 3篇、Nature Energy 6篇、Nature Materials 1篇，Science Advances 1篇，Nature Communications 4篇，Advanced Materials 12篇、Energy Environ. Sci. 9篇、Joule 2篇等。