倒置（p-i-n結(jié)構(gòu)）鈣鈦礦太陽能電池因其固有的穩(wěn)定性和與串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兼容性，已成為鈣鈦礦光伏商業(yè)化的重要技術(shù)路線。近年來，通過晶體調(diào)控、界面工程和缺陷鈍化等策略，其認(rèn)證效率已提升至26.54%，媲美傳統(tǒng)n-i-p結(jié)構(gòu)電池。在鈣鈦礦組成中， FA 1-x Cs x PbI 3 （FA為甲脒）因其近乎理想的帶隙和進(jìn)一步提升效率的潛力而備受關(guān)注。然而，溶液加工過程中晶體的不可控成核、生長和結(jié)晶常導(dǎo)致晶體取向紊亂，影響電荷傳輸和器件穩(wěn)定性。現(xiàn)有添加劑如二甲亞砜（DMSO）和甲基氯化銨（MACI）雖可調(diào)節(jié)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，但可能引入孔洞或二次相。此外，缺陷鈍化分子往往難以均勻分布或有效調(diào)控晶體生長。因此，開發(fā)一種能同步調(diào)控成核、取向和缺陷抑制的整體策略，是實(shí)現(xiàn)倒置鈣鈦礦太陽能電池性能突破的關(guān)鍵。

鑒于此，華中科技大學(xué)陳煒/劉宗豪、北京工業(yè)大學(xué)盧岳、深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)李競白團(tuán)隊(duì)合作提出了一種基于芳香相互作用的雙分子策略，通過引入6-羥基-2-萘磺酸鉀（PHNS）和6-溴萘-2-胺鹽酸鹽（BNAC），協(xié)同調(diào)控FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦的結(jié)晶過程。PHNS中的羥基和磺酸基與Pb2?配位，BNAC中的銨基占據(jù)FA?位點(diǎn)，兩者萘環(huán)之間形成緊密的芳香堆疊，促使晶體沿（100）面實(shí)現(xiàn)有序的面外取向生長。該策略顯著提升了晶體質(zhì)量、缺陷鈍化效果和載流子傳輸性能，使倒置鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27.02%（認(rèn)證效率26.88%），并在連續(xù)光照下運(yùn)行2000小時(shí)后仍保持98.2%的初始效率。此外，孔徑面積為11.09 cm2的倒置微型模塊實(shí)現(xiàn)了23.18%的認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認(rèn)證效率達(dá)29.07%。相關(guān)研究成果以題為“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”發(fā)表在最新一期《Nature Energy》上。

值得注意的是，2025年9月30日，深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)李競白聯(lián)合香港科技大學(xué)章勇、南方科技大學(xué)王行柱和徐保民等人，發(fā)表Nature Synthesis，僅僅間隔10天，再發(fā)Nature Energy。

【鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)與取向】

通過掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）分析，未添加任何分子的對照組鈣鈦礦薄膜在（100）面表現(xiàn)為隨機(jī)的晶體取向（圖1a），而PHNS + BNAC改性的薄膜在90°方位角處顯示出顯著的（100）衍射峰（圖1b），表明其具有主導(dǎo)的面外取向。Herman取向因子從對照組的-0.009提升至-0.110，說明面外取向增強(qiáng)了十倍。X射線衍射（XRD）進(jìn)一步證實(shí)了（100）面相對于（110）和（111）面的強(qiáng)度比和織構(gòu)系數(shù)隨PHNS與BNAC的加入而逐步提高。高分辨透射電子顯微鏡（HR-TEM）和納米束衍射（NBD）分析顯示，對照組薄膜晶界不規(guī)則、晶體取向雜亂（圖1c,e,g,h），而PHNS + BNAC樣品則呈現(xiàn)出筆直、貫通的晶界和均勻的（100）晶面排列（圖1d,f,i,j）。微應(yīng)變分析也表明，雙分子添加劑顯著提升了薄膜的應(yīng)變均勻性（圖1k,l）。

圖 1. 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)和取向

【鈣鈦礦晶體生長機(jī)制】

對照組鈣鈦礦呈現(xiàn)“角向上”生長模式，導(dǎo)致晶體堆疊無序（圖2a–c）；而PHNS + BNAC樣品則轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊嫦蛏稀鄙L模式，實(shí)現(xiàn)了高度有序的面外取向（圖2d–f）。核歐沃豪斯效應(yīng)光譜（NOESY）顯示PHNS與BNAC的萘環(huán)間距約為4 ?，證實(shí)了芳香堆疊作用的存在。理論計(jì)算表明，PHNS與PbI?的結(jié)合能（Eb）為-0.87 eV，而PHNS + BNAC雙分子系統(tǒng)與PbI?的Eb提高至-1.98 eV，說明其能更穩(wěn)定地引導(dǎo)鈣鈦礦有序成核與生長。原位GIWAXS與光致發(fā)光（PL）測量顯示，PHNS + BNAC樣品在旋涂階段即出現(xiàn)α相（對應(yīng)1.0 ?），并在退火過程中延長了從δ相向α相的轉(zhuǎn)變時(shí)間，表明其結(jié)晶過程更為緩慢且有序，有利于形成高質(zhì)量的α相晶體。

圖 2. 鈣鈦礦晶體生長機(jī)理

【鈣鈦礦薄膜的光電性能】

PHNS + BNAC改性顯著提升了薄膜的光電性能。穩(wěn)態(tài)PL光譜顯示，在260–660 nm的激發(fā)波長范圍內(nèi)，PHNS + BNAC樣品的PL強(qiáng)度最高（圖3a,b），說明非輻射復(fù)合被顯著抑制。時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）測量進(jìn)一步表明，該樣品的載流子壽命最長（圖3c），PL映射圖像也顯示出更均勻的發(fā)光強(qiáng)度和壽命分布（圖3d,e）。光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）從對照組的0.69%提升至7.78%，對應(yīng)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂提升了62.3 meV，預(yù)示著開路電壓（VOC）的增強(qiáng)。開爾文探針力顯微鏡（KPFM）顯示PHNS + BNAC薄膜表面電位更為平坦，費(fèi)米能級(jí)向?qū)У滓苿?dòng)了約0.34 eV（圖3g–i），有助于電子在鈣鈦礦/電子傳輸層界面的高效提取。

圖 3. 鈣鈦礦薄膜的光電特性

【器件的光伏性能】

基于上述優(yōu)化，研究者制備了結(jié)構(gòu)為ITO/4PADCB/Al?O?/FA0.95Cs0.05PbI?/PI/PCBM/BCP/Ag的倒置鈣鈦礦太陽能電池。電流密度-電壓（J-V）曲線顯示，PHNS + BNAC器件的冠軍效率為27.02%，遠(yuǎn)高于對照組（24.82%）和僅添加PHNS的器件（25.91%）（圖4a）。該效率提升源于短路電流密度（JSC）、VOC和填充因子（FF）的同步改善，且滯后效應(yīng)減弱，器件重現(xiàn)性提高（圖4b）。外量子效率（EQE）積分得到的JSC為25.32 mA cm?2，與J-V測量結(jié)果一致。經(jīng)兩家第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證，其穩(wěn)態(tài)效率分別為26.42%和26.53%，是目前單結(jié)鈣鈦礦電池中最高水平之一（圖4c）。在11.09 cm2的微型模塊中，器件實(shí)現(xiàn)了23.49%的反向掃描效率，并經(jīng)認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率達(dá)23.18%（圖4d）。穩(wěn)定性方面，封裝后的PHNS + BNAC器件在85 °C/85%相對濕度的濕熱條件下600小時(shí)后仍保持95.9%的初始效率，在65 °C環(huán)境空氣中連續(xù)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）2000小時(shí)后效率保持率達(dá)98.2%（圖4e）。此外，將該策略應(yīng)用于窄帶隙鈣鈦礦FA0.95Cs0.05Sn0.5Pb0.5I?中，同樣觀察到（100）面外取向的增強(qiáng)，器件效率從21.08%提升至23.50%。最終，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池實(shí)現(xiàn)了29.26%的效率（認(rèn)證29.07%），其寬窄帶隙子電池的EQE積分電流密度分別為16.1 mA cm?2和15.7 mA cm?2（圖4f,g）。

圖 4. 器件的光伏性能

【總結(jié)與展望】

本研究通過PHNS與BNAC之間的芳香相互作用，成功實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦晶體成核、取向生長與缺陷鈍化的協(xié)同調(diào)控。該雙分子策略不僅誘導(dǎo)了高度有序的面外（100）取向，還顯著提升了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和載流子傳輸性能，使倒置鈣鈦礦太陽能電池在效率與穩(wěn)定性方面均取得突破。器件在27.02%的高效率下仍具備優(yōu)異的操作穩(wěn)定性，微型模塊與串聯(lián)電池的認(rèn)證效率進(jìn)一步證明了該策略的可擴(kuò)展性與應(yīng)用潛力。該工作為鈣鈦礦光伏器件的晶體生長調(diào)控與缺陷管理提供了新范式，為實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的鈣鈦礦商業(yè)化器件開辟了可行路徑。

來源：高分子科學(xué)前沿

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