研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池（POTSCs）憑借其能帶可調(diào)性優(yōu)勢，理論上具備突破單接面電池Shockley-Queisser極限的潛力。相較于其他串迭技術(shù)，POTSCs具有優(yōu)勢：鈣鈦礦層的紫外濾光特性提升操作穩(wěn)定性，全薄膜結(jié)構(gòu)支持高產(chǎn)量卷對卷制程，且可于常規(guī)環(huán)境下在柔性基板上加工，特別適用于建筑整合、車輛整合及可攜式電子產(chǎn)品等應用。

然而，POTSCs發(fā)展面臨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：目前已認證效率（24.7%）仍低于全鈣鈦礦串迭電池（28.2%）及鈣鈦礦-CIGS串迭電池（24.2%）。造成此效率落差的核心問題在于窄能隙有機底電池的近紅外光電流不足，主要原因包括：

1. 適用材料匱乏：目前缺乏高效率窄能隙非富勒烯受體（NFAs）?，F(xiàn)有Y6受體的光學能隙（~1.33      eV）對串迭構(gòu)型的理想能隙（~1.00 eV）而言仍屬次優(yōu)化。

2. 能階匹配難題：傳統(tǒng)降低NFA能隙的策略（如延長共軛長度、強化分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移）往往導致HOMO能階過度提升，造成與聚合物施體間的能階失配，進而影響激子解離效率并限制開路電壓與填充因子表現(xiàn)。

研究團隊與核心成果

研究由新加坡國立大學化學與生物分子工程學系暨新加坡太陽能研究所的侯毅(Yi Hou)教授領(lǐng)導，研究成果發(fā)表于頂尖期刊《Nature》。

研究團隊針對POTSCs的核心效率瓶頸，提出兩項關(guān)鍵創(chuàng)新策略：

策略一：提升窄能隙有機底電池性能團隊設(shè)計合成新型不對稱非富勒烯受體P2EH-1V，采用單側(cè)共軛π橋策略將光學能隙降至1.27 eV，同時維持理想的激子解離與奈米形貌。透過飛秒瞬態(tài)吸收光譜證實PM6到P2EH-1V的高效空穴轉(zhuǎn)移，并利用電致發(fā)光量子效率測量顯示非輻射電壓損失從0.26 eV顯著降低至0.20 eV。

策略二：優(yōu)化寬能隙鈣鈦礦上電池界面開發(fā)新型自組裝單分子層Br-Ph-4PACz，透過溴苯基取代基有效調(diào)控功函與HOMO能階，改善與鈣鈦礦的能帶對齊并減少界面復合損失。利用紫外光電子能譜、開爾文探針力顯微鏡評估能級對齊，并透過穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光、準費米能階分裂測量證實非輻射復合減少與內(nèi)在電壓提升。

突破性成果：結(jié)合上述創(chuàng)新策略，POTSCs效率達到26.7%，經(jīng)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獨立認證為26.4%，創(chuàng)下超過1 cm²面積器件的世界紀錄。

Fig. 4g

實驗步驟與器件制備

Fig.4a

這項研究主要透過兩大核心策略，設(shè)計并制備出高性能的太陽能電池關(guān)鍵組件，最終集成出創(chuàng)紀錄的鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池。以下為其主要的實驗步驟與過程：

研究核心策略：該研究主要圍繞兩大核心瓶頸展開實驗：一是提升窄能隙有機底電池的光電流，二是解決寬能隙鈣鈦礦上電池的電壓與填充因子損失問題。

窄能隙有機底電池的創(chuàng)新材料與制備

• 新型不對稱非富勒烯受體 (NFA) P2EH-1V 的成功合成

• 研究團隊設(shè)計并成功合成了一種新型的不對稱非富勒烯受體P2EH-1V。

• 這種材料透過單側(cè)共軛π橋策略，實現(xiàn)了將光學能隙降低至 1.27 eV。

• 高效有機底電池單元器件的組裝

• 單結(jié)有機太陽能電池采用ITO/MoOx/PM6:NFA/PDINN/Ag的結(jié)構(gòu)進行制備。

• 其中，PM6作為施體、P2EH-1V作為受體，兩者以1:1.2       的比例混合在氯仿溶液中，總濃度為 16 mg/ml。

• 將混合溶液旋涂到 MoOx       層上，隨后進行熱退火處理，最后沉積PDINN和Ag電極完成制備。

寬能隙鈣鈦礦上電池的界面優(yōu)化與制備

• 新型自組裝單分子層 (SAM) Br-Ph-4PACz 的開發(fā)

• 研究團隊開發(fā)并合成了一種新型的自組裝單分子層Br-Ph-4PACz。

• 該材料透過引入溴苯基取代基，旨在有效調(diào)節(jié)功函與HOMO能階，以改善與鈣鈦礦的能帶對齊。

• 高性能鈣鈦礦上電池單元器件的制備

• 單結(jié)寬能隙鈣鈦礦太陽能電池采用ITO/SAM/鈣鈦礦/C60/BCP/Ag的結(jié)構(gòu)進行制備。

• 首先，將SAM (Br-Ph-4PACz) 溶液旋涂在圖案化的ITO玻璃基板上并加熱。

• 隨后，將特定組成的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液 (Cs0.25FA0.75 Pb(Br0.4I0.6)3)旋涂在SAM層上，并進行退火形成鈣鈦礦薄膜。

• 最后，依序沉積       EDAI2 溶液、C60、BCP和Ag電極以完成器件。

高效能鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池的集成

• 優(yōu)化串迭器件結(jié)構(gòu)與互連層設(shè)計

• 最終的鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池采用了玻璃/ITO/SAM/鈣鈦礦/C60/SnOx/ITO/MoOx/有機/PDINN/Ag的完整器件架構(gòu)。

• 關(guān)鍵的互連層位于鈣鈦礦上電池和有機底電池之間，由C60、原子層沉積(ALD)的SnOx、濺射的ITO以及熱蒸發(fā)的MoOx組成，以確保電荷高效傳輸。

• 上下子電池的吸收層厚度經(jīng)過精確優(yōu)化（鈣鈦礦約 290 nm，有機層約 110 nm），以實現(xiàn)兩子電池間電流密度的平衡。

表征方法與結(jié)果

準費米能階分裂(Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS)

評估SAM與鈣鈦礦界面的電壓損失與非輻射復合抑制效果，QFLS提升直接反映器件VOC改善潛力。

透過強度依賴性開路電壓測量獲得的QFLS分析顯示，Br-Ph-4PACz處理的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)顯著的界面優(yōu)化效果。Br-Ph-4PACz/鈣鈦礦堆棧的擬開路電壓(iVoc)達到1.38 V，明顯高于Me-4PACz/鈣鈦礦堆棧的1.34 V，改善幅度達40 mV。此結(jié)果證實Br-Ph-4PACz透過溴苯基取代基的功函調(diào)控作用，有效減少SAM與鈣鈦礦界面的能階失配，降低界面復合損失，為器件VOC提升提供直接驅(qū)動力。

圖3d展示單結(jié)寬能隙鈣鈦礦太陽能電池在兩種SAM處理下的VOC損失分析比較。Br-Ph-4PACz樣品顯示更高的QFLS值和更低的界面電壓損失，直觀呈現(xiàn)溴苯基官能化SAM在界面工程優(yōu)化方面的顯著優(yōu)勢。

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電流-電壓(J-V)曲線測量

評估單結(jié)與串迭器件的光電轉(zhuǎn)換性能，直接反映材料創(chuàng)新與器件工程優(yōu)化的綜合效果。

在氮氣填充手套箱中模擬1sun AM 1.5G光照(100 mW cm^-2)下測量不同面積器件(0.050 cm²與1.019 cm²)性能。

l PM6:P2EH-1V有機太陽能電池實現(xiàn)17.9% PCE突破，展現(xiàn)0.82 V開路電壓、28.60 mA cm^-2高短路電流密度及76.5%填充因子。

l Br-Ph-4PACz鈣鈦礦太陽能電池達成20.4% PCE，具備1.37 V超高開路電壓與85.5%優(yōu)異填充因子。

l 鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池實現(xiàn)創(chuàng)紀錄26.7% PCE(VOC: 2.14 V, JSC: 15.15 mA cm^-2, FF: 82.4%)，大面積器件(1.019 cm²)同樣維持26.7% PCE。

上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獨立認證結(jié)果為26.4% PCE，正反掃描一致且無明顯遲滯現(xiàn)象，已認證厘米級單結(jié)鈣鈦礦、鈣鈦礦-CIGS及鈣鈦礦-有機串迭電池的PCE紀錄。

圖4b展示單結(jié)有機電池、鈣鈦礦電池與串迭電池的J-V曲線組合，清晰對比三種器件的光電參數(shù)，直觀呈現(xiàn)串迭架構(gòu)在電壓加成與電流匹配優(yōu)化方面的顯著優(yōu)勢。

圖4e展示經(jīng)SIMIT認證的1 cm²串迭電池J-V曲線，正反掃描PCE均為26.4%，證實器件在實際應用中的性能與穩(wěn)定性。

外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)測量

評估各子電池的光譜響應與電流匹配程度，驗證串迭電池中上下子電池的協(xié)同效應與電流平衡。

PM6:P2EH-1V有機底電池因P2EH-1V材料的紅移吸收特性，EQE積分電流密度達到27.86 mA cm^-2，與J-V測試結(jié)果高度吻合(誤差<3%)。鈣鈦礦-有機串迭電池中，鈣鈦礦上電池與有機底電池的EQE積分JSC分別為15.20 mA cm^-2與15.14 mA cm^-2。表明兩個子電池之間的電流密度達到了良好匹配，是實現(xiàn)高效率串迭電池的關(guān)鍵。

圖4d鈣鈦礦-有機串迭電池中鈣鈦礦和有機子電池的EQE曲線和積分Jsc，顯示了串迭電池中兩個子電池的EQE曲線，清楚地展示了它們對不同波長光的吸收貢獻，以及積分后電流密度達到平衡

電致發(fā)光量子效率(Electroluminescence Quantum Efficiency, EQEEL)測量

評估有機太陽能電池的非輻射能量損失與復合機制，使用Enlitech ELCT-3010(REPS)系統(tǒng)向器件施加外部電壓/電流源進行測量。

P2EH-1V創(chuàng)新受體材料展現(xiàn)非輻射復合抑制效果，與P2EH基準器件相比，P2EH-1V器件的總能量損失減少0.05 eV，主要源于非輻射能量損失的顯著降低，從0.26 eV大幅改善至0.20 eV。此結(jié)果證實P2EH-1V透過優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效減少缺陷態(tài)密度與非輻射復合路徑。

圖2f展示PM6:P2EH、PM6:P2EH-1V與PM6:P2EH-2V有機太陽能電池的能量損失分析總結(jié)，清楚對比不同受體材料的非輻射能量損失(ΔEnon-rad)分布，直觀呈現(xiàn)P2EH-1V在抑制非輻射復合方面的顯著優(yōu)勢。

敏感型EQE/傅立葉變換光電流光譜儀(Sensitive EQE/FTPS)

評估有機太陽能電池的詳細能量損失機制，使用Enlitech PECT-600(FTPS)系統(tǒng)記錄敏感型EQE，結(jié)合電致發(fā)光(EL)曲線進行Gaussian擬合分析。

FTPS-EQE與EL曲線的精密擬合結(jié)果再次確認P2EH-1V器件在非輻射能量損失抑制方面的表現(xiàn)。曲線對齊程度直接反映器件的輻射與非輻射復合過程平衡，P2EH-1V材料透過優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)輻射復合增強與非輻射損失減少的雙重效果。

圖2h展示PM6:P2EH-1V混料器件的FTPS-EQE與電致發(fā)光曲線Gaussian擬合對比，兩曲線的高度一致性與精確對齊直觀證實P2EH-1V在降低非輻射能量損失方面的有效性。

其他表征

紫外-可見光譜(UV-Vis)：表征材料光吸收特性，評估能隙調(diào)控效果。P2EH-1V吸收明顯紅移約80 nm，光學能隙降至1.27 eV，擴展近紅外光吸收范圍。(圖1b)

掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)：表征薄膜晶體行為與分子堆積取向，評估電荷傳輸路徑。所有NFA均呈現(xiàn)優(yōu)先面朝向取向，PM6:P2EH-1V共混膜維持良好有序堆積。(圖1d)

原子力顯微鏡(AFM)：評估薄膜表面形態(tài)與粗糙度，反映薄膜質(zhì)量。Br-Ph-4PACz鈣鈦礦薄膜表面更均勻，粗糙度降低至18.9 nm，優(yōu)于Me-4PACz的22.2 nm。(FigS. 27)

紫外光電子能譜(UPS)：評估材料界面功函與能階對齊情況，優(yōu)化界面電荷傳輸。Br-Ph-4PACz有更深功函與更有利的能帶對齊，減少界面能量損失。(圖3b)

開爾文探針力顯微鏡(KPFM)：量化SAM功函調(diào)控效果，驗證界面工程優(yōu)化。KPFM圖像證實Br-Ph-4PACz能更有效調(diào)節(jié)ITO基板功函分布。(FigS. 18)

光致發(fā)光光譜(PL)及共焦PL映射：評估非輻射復合損失與薄膜均勻性，反映缺陷鈍化效果。Br-Ph-4PACz鈣鈦礦薄膜PL強度提升五倍，PLQY從0.41%顯著增至1.82%。(圖3c)

瞬態(tài)吸收光譜(TA)：評估電荷動力學與空穴轉(zhuǎn)移過程，驗證激子解離效率。575 nm處施體GSB動力學證實P2EH-1V向PM6的高效空穴轉(zhuǎn)移。(圖2d)

電荷解離機率(Pdiss)分析：評估光生激子電荷產(chǎn)生效率，量化激子解離能力。PM6:P2EH-1V器件Pdiss達96.1%，展現(xiàn)電荷產(chǎn)生機率。(圖2e)

阻抗頻譜(Impedance)：研究器件電荷復合電阻，評估載流子傳輸特性。Nyquist圖顯示P2EH-1V器件具有更高復合電阻，電荷復合損失較低。(FigS. 14)

瞬態(tài)光電流(TPC)測量：測量電荷載流子提取壽命，評估電荷收集效率。Br-Ph-4PACz器件光電流衰減壽命縮短至0.73 μs，載流子提取效率提升。(圖3f)

接觸角測量：研究SAM潤濕特性，評估薄膜覆蓋均勻性。Br-Ph-4PACz基底接觸角降至10.4°，改善鈣鈦礦前驅(qū)體潤濕性與薄膜覆蓋。(FigS. 22)

長期最大功率點(MPP)穩(wěn)定性評估：評估器件長期操作穩(wěn)定性，驗證實用化潛力。封裝串迭電池783小時后保持80%效率，Br-Ph-4PACz器件T80延長至550小時。(圖4h)

截面掃描電子顯微鏡(SEM)：可視化串迭器件結(jié)構(gòu)與各層厚度，驗證制備精確性。清晰展示優(yōu)化后鈣鈦礦(~290 nm)與有機(~110 nm)吸收層及多層互連結(jié)構(gòu)。(圖4a)

結(jié)論

研究團隊在鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進展，透過雙重創(chuàng)新策略成功達成創(chuàng)紀錄效率與穩(wěn)定性。

核心技術(shù)突破

創(chuàng)新材料設(shè)計：開發(fā)新型不對稱非富勒烯受體P2EH-1V，透過單向乙烯雙鍵π橋策略將光學能隙降至1.27 eV，吸收光譜紅移約80 nm，實現(xiàn)高達28.60 mA cm^-2的短路電流密度。有機底電池效率達17.9%，非輻射復合損失從0.26 eV降至0.20 eV，電荷解離機率高達96.1%。

界面工程優(yōu)化：設(shè)計自組裝單分子層Br-Ph-4PACz，透過溴苯取代基調(diào)控功函與能帶對齊，使鈣鈦礦薄膜PL強度提升五倍，PLQY從0.41%顯著增至1.82%。寬能隙鈣鈦礦上電池效率達20.4%，具備1.37 V高開路電壓與85.5%填充因子。

性能表現(xiàn)

創(chuàng)紀錄效率：鈣鈦礦-有機串迭太陽能電池實現(xiàn)26.7% PCE，經(jīng)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獨立認證為26.4%，超越了目前已報導的所有公分級單結(jié)鈣鈦礦、鈣鈦礦-鈣鈦礦串迭及鈣鈦礦-CIGS串迭電池紀錄。對于1公分平方的有效面積器件，其穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)可達到26.5%

優(yōu)異穩(wěn)定性：封裝串迭電池在環(huán)境條件下(25°C, 85%相對濕度)經(jīng)783小時MPP追蹤后保持80%初始效率，顯著優(yōu)于單結(jié)有機電池(T80僅180小時)。Br-Ph-4PACz器件T80延長至550小時，證實鈣鈦礦層紫外濾光效應對長期穩(wěn)定性的積極作用。

文獻參考自Nature_DOI: 10.1038/s41586-025-09181-x

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