研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦-有機(jī)串迭太陽能電池（POTSCs）憑借其能帶可調(diào)性優(yōu)勢(shì)，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(shì)：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(duì)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(yīng)用。

然而，POTSCs發(fā)展面臨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：目前已認(rèn)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(jī)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）。現(xiàn)有Y6受體的光學(xué)能隙（~1.33      eV）對(duì)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(qiáng)化分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移）往往導(dǎo)致HOMO能階過度提升，造成與聚合物施體間的能階失配，進(jìn)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(tuán)隊(duì)與核心成果

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

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)POTSCs的核心效率瓶頸，提出兩項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新策略：

策略一：提升窄能隙有機(jī)底電池性能 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成新型不對(duì)稱非富勒烯受體P2EH-1V，采用單側(cè)共軛π橋策略將光學(xué)能隙降至1.27 eV，同時(shí)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(shí)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(duì)齊并減少界面復(fù)合損失。利用紫外光電子能譜、開爾文探針力顯微鏡評(píng)估能級(jí)對(duì)齊，并透過穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光、準(zhǔn)費(fèi)米能階分裂測量證實(shí)非輻射復(fù)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(dá)到26.7%，經(jīng)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獨(dú)立認(rèn)證為26.4%，創(chuàng)下超過1 cm²面積器件的世界紀(jì)錄。

Fig. 4g

實(shí)驗(yàn)步驟與器件制備

Fig.4a

這項(xiàng)研究主要透過兩大核心策略，設(shè)計(jì)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(jì)錄的鈣鈦礦-有機(jī)串迭太陽能電池。以下為其主要的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)：一是提升窄能隙有機(jī)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(jī)底電池的創(chuàng)新材料與制備

• 新型不對(duì)稱非富勒烯受體 (NFA) P2EH-1V 的成功合成

• 研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并成功合成了一種新型的不對(duì)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(shí)現(xiàn)了將光學(xué)能隙降低至 1.27 eV。

• 高效有機(jī)底電池單元器件的組裝

• 單結(jié)有機(jī)太陽能電池采用ITO/MoOx/PM6:NFA/PDINN/Ag的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jì)

• 最終的鈣鈦礦-有機(jī)串迭太陽能電池采用了玻璃/ITO/SAM/鈣鈦礦/C60/SnOx/ITO/MoOx/有機(jī)/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(jī)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(jī)層約 110 nm），以實(shí)現(xiàn)兩子電池間電流密度的平衡。

表征方法與結(jié)果

準(zhǔn)費(fèi)米能階分裂(Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS)

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

透過強(qiáng)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(dá)到1.38 V，明顯高于Me-4PACz/鈣鈦礦堆棧的1.34 V，改善幅度達(dá)40 mV。此結(jié)果證實(shí)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(fù)合損失，為器件VOC提升提供直接驅(qū)動(dòng)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(shì)。

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電流-電壓(J-V)曲線測量

評(píng)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?dú)馓畛涫痔紫渲心M1sun 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(jī)太陽能電池實(shí)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(dá)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(jī)串迭太陽能電池實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)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(dú)立認(rèn)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(rèn)證厘米級(jí)單結(jié)鈣鈦礦、鈣鈦礦-CIGS及鈣鈦礦-有機(jī)串迭電池的PCE紀(jì)錄。

圖4b展示單結(jié)有機(jī)電池、鈣鈦礦電池與串迭電池的J-V曲線組合，清晰對(duì)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(shì)。

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

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

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

PM6:P2EH-1V有機(jī)底電池因P2EH-1V材料的紅移吸收特性，EQE積分電流密度達(dá)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(jī)串迭電池中，鈣鈦礦上電池與有機(jī)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(gè)子電池之間的電流密度達(dá)到了良好匹配，是實(shí)現(xiàn)高效率串迭電池的關(guān)鍵。

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

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

評(píng)估有機(jī)太陽能電池的非輻射能量損失與復(fù)合機(jī)制，使用Enlitech ELCT-3010(REPS)系統(tǒng)向器件施加外部電壓/電流源進(jìn)行測量。

P2EH-1V創(chuàng)新受體材料展現(xiàn)非輻射復(fù)合抑制效果，與P2EH基準(zhǔn)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(shí)P2EH-1V透過優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減少缺陷態(tài)密度與非輻射復(fù)合路徑。

圖2f展示PM6:P2EH、PM6:P2EH-1V與PM6:P2EH-2V有機(jī)太陽能電池的能量損失分析總結(jié)，清楚對(duì)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(fù)合方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

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

評(píng)估有機(jī)太陽能電池的詳細(xì)能量損失機(jī)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(jìn)行Gaussian擬合分析。

FTPS-EQE與EL曲線的精密擬合結(jié)果再次確認(rèn)P2EH-1V器件在非輻射能量損失抑制方面的表現(xiàn)。曲線對(duì)齊程度直接反映器件的輻射與非輻射復(fù)合過程平衡，P2EH-1V材料透過優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輻射復(fù)合增強(qiáng)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(duì)比，兩曲線的高度一致性與精確對(duì)齊直觀證實(shí)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(píng)估能隙調(diào)控效果。P2EH-1V吸收明顯紅移約80 nm，光學(xué)能隙降至1.27 eV，擴(kuò)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(píng)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(píng)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(píng)估材料界面功函與能階對(duì)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(duì)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(yàn)證界面工程優(yōu)化。KPFM圖像證實(shí)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(píng)估非輻射復(fù)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(qiáng)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(píng)估電荷動(dòng)力學(xué)與空穴轉(zhuǎn)移過程，驗(yàn)證激子解離效率。575 nm處施體GSB動(dòng)力學(xué)證實(shí)P2EH-1V向PM6的高效空穴轉(zhuǎn)移。(圖2d)

電荷解離機(jī)率(Pdiss)分析：評(píng)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(dá)96.1%，展現(xiàn)電荷產(chǎn)生機(jī)率。(圖2e)

阻抗頻譜(Impedance)：研究器件電荷復(fù)合電阻，評(píng)估載流子傳輸特性。Nyquist圖顯示P2EH-1V器件具有更高復(fù)合電阻，電荷復(fù)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(píng)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(píng)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(diǎn)(MPP)穩(wěn)定性評(píng)估：評(píng)估器件長期操作穩(wěn)定性，驗(yàn)證實(shí)用化潛力。封裝串迭電池783小時(shí)后保持80%效率，Br-Ph-4PACz器件T80延長至550小時(shí)。(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(yàn)證制備精確性。清晰展示優(yōu)化后鈣鈦礦(~290 nm)與有機(jī)(~110 nm)吸收層及多層互連結(jié)構(gòu)。(圖4a)

結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦-有機(jī)串迭太陽能電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進(jìn)展，透過雙重創(chuàng)新策略成功達(dá)成創(chuàng)紀(jì)錄效率與穩(wěn)定性。

核心技術(shù)突破

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

界面工程優(yōu)化：設(shè)計(jì)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(duì)齊，使鈣鈦礦薄膜PL強(qiáng)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(dá)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(jì)錄效率：鈣鈦礦-有機(jī)串迭太陽能電池實(shí)現(xiàn)26.7% PCE，經(jīng)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獨(dú)立認(rèn)證為26.4%，超越了目前已報(bào)導(dǎo)的所有公分級(jí)單結(jié)鈣鈦礦、鈣鈦礦-鈣鈦礦串迭及鈣鈦礦-CIGS串迭電池紀(jì)錄。對(duì)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(dá)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(duì)濕度)經(jīng)783小時(shí)MPP追蹤后保持80%初始效率，顯著優(yōu)于單結(jié)有機(jī)電池(T80僅180小時(shí))。Br-Ph-4PACz器件T80延長至550小時(shí)，證實(shí)鈣鈦礦層紫外濾光效應(yīng)對(duì)長期穩(wěn)定性的積極作用。

文獻(xiàn)參考自Nature_DOI: 10.1038/s41586-025-09181-x

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