近日，澳大利亚昆士兰大学的王连洲教授团队，从氧化还原的角度对Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的长期光照稳定性进行了探索性研究。该研究表面，在钙钛矿薄膜晶界处，过量PbI₂光解生成的Pb⁰可与空气氧化生成的Sn⁴⁺自发进行氧化还原化学反应，源源不断地生成Pb²⁺和Sn²⁺，促使Sn-Pb钙钛矿薄膜产生自修复效应。但由于其缓慢的反应动力学，这一反应并不能对Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的稳定性起到显著提升作用。基于该科学问题，该工作设计了V³⁺/V²⁺离子对作为氧化还原电子对提升Sn⁴⁺和Pb⁰之间的氧化还原反应动力学，从而加速Sn-Pb钙钛矿在工作状态下的自修复效应。这一创新策略不仅显著提升了Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的稳定性，还将器件的光电转换效率从19.02%提升至了21.22%，使目标器件在1000小时的光照最大功率点跟踪测试后，保持了近90%的初始效率。

（1）V³⁺/V²⁺氧化还原电子对的反应动力学研究

在光照下，多余PbI₂的Pb-I键容易断开，并且Pb²⁺会被还原成Pb⁰。而由于Pb⁰与Sn⁴⁺之间的氧化还原反应是自发的，在光照下，Sn-Pb钙钛矿中一部分的Sn⁴⁺能够被还原成Sn²⁺。但是由于其反应速率较慢，Sn-Pb钙钛矿太阳能电池中这种自修复的性质并不明显。通过筛选材料的电极电势，V³⁺/V²⁺离子对具有合适的电极电势并且在有机溶液中有较好的溶解性。经过溶液体系的比对，引入了V³⁺/V²⁺离子对的系统中，V³⁺/V²⁺离子对作为氧化还原梭能够极大地增加Pb⁰与Sn⁴⁺之间的反应速率，从而更高效地促进Sn²⁺的再生。

由于较小的原子半径，V元素主要分布在钙钛矿的晶界与表面处，而这也是Pb⁰与Sn⁴⁺主要存在的地方。通过V的引入，在X光的加速老化下5% V-Sn-Pb钙钛矿的薄膜中Sn⁴⁺与Pb⁰的比例都能保持在很低的水平。优化后的0.05% V-Sn-Pb表现出更大的晶粒及更好的结晶性，从而抑制了非辐射复合和提升了光生载流子的寿命。

得益于更低的电子与空穴缺陷密度，相对于Sn-Pb的器件，V-Sn-Pb钙钛矿的太阳能电池器件效率从19.02%增长到了21.22%。在模拟日周期老化的实验中，V-Sn-Pb薄膜展现出了更好的自修复性能。经过对器件的工作稳定性测试，发现V-Sn-Pb器件在1000小时的光照最大功率点跟踪测试中，保持了近90%的初始效率，进一步证明了V添加剂对Sn⁴⁺和Pb⁰氧化还原反应动力学的提升。