侯毅Nature：钙钛矿-有机叠层电池认证效率26.4%近红外吸收获突破

主要内容

新加坡国立大学新加坡太阳能研究所（SERIS）化学与生物分子工程系的侯毅教授带领团队，针对钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池展开了深入研究。钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池因在能源转换领域潜力巨大而备受关注，它融合了钙钛矿和有机半导体的优势，有望为未来清洁能源供应提供高效解决方案。

钙钛矿与有机半导体均具备宽带隙可调特性，这为开发理论效率可观的钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池创造了条件。然而，此前报道的钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池认证效率低于单结钙钛矿太阳能电池，主要制约因素在于窄带隙有机子电池的近红外光电流不足。

在此背景下，侯毅教授团队设计并合成了一种不对称非富勒烯受体（NFA）材料 P2EH - 1V。该材料凭借单侧共轭π桥结构，成功将光学带隙降低至 1.27 eV，在维持理想激子解离的同时，保持了良好的纳米形貌。瞬态吸收光谱显示，P2EH - 1V 可向给体材料 PM6 实现高效的空穴转移。在不影响电荷产生效率的前提下，基于 P2EH - 1V 的器件将非辐射电压损失降低至 0.20 eV。最终，团队实现了有机底电池 17.9% 的效率，其短路电流密度（Jsc）高达 28.60 mA cm⁻²。

在有机底电池取得显著成效的同时，团队在钙钛矿顶电池方面也取得了重要突破。通过最大限度地减少界面复合损失，钙钛矿顶电池实现了开路电压（Voc）1.37 V 和填充因子（FF）85.5% 的优异性能。这些突破性进展使钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池在大于 1 cm² 的有效面积上实现了 26.7% 的认证效率（认证值为 26.4%），创下新纪录。

受底电池吸收光谱拓宽以及前电池均匀性良好的鼓舞，侯毅教授团队制备了具有玻璃/ITO/SAM/钙钛矿/C60/SnOx/ITO/MoOx/有机层/PDINN/Ag 器件结构的钙钛矿 - 有机叠层电池。为使子电池间实现良好的电流密度平衡，团队将前电池和底电池中钙钛矿、有机吸收层的厚度分别优化至约 290 nm 和 110 nm（图 4a）。图 4b 和补充图 29 展示了采用不同有机吸收层（PM6:P2EH 和 PM6:P2EH - 1V）的最佳性能钙钛矿 - 有机叠层电池的 J - V 曲线。统计结果表明，短路电流密度（Jsc）的大幅提升是效率提高的关键因素（图 4c 和补充图 30）。值得注意的是，与基于 PM6:Y6 的器件相比，基于 PM6:P2EH - 1V 的器件效率从 25.8% 提高到 27.5%，开路电压（Voc）为 2.14 V，短路电流密度（Jsc）为 15.37 mA cm⁻²，填充因子（FF）为 83.7%（补充图 31）。这是目前报道的钙钛矿 - 有机叠层电池的最高光电转换效率（PCE）。通过外量子效率（EQE）测量得到的顶电池和底电池的积分短路电流密度（Jsc）分别为 15.20 mA cm⁻² 和 15.14 mA cm⁻²（图 4d），与 J - V 测量得到的短路电流密度值高度一致。P2EH - 1V 展现出显著拓宽的近红外吸收，实现了明显更高的积分短路电流密度。

此外，侯毅教授团队还展示了有效面积为 1.019 cm² 的钙钛矿 - 有机叠层电池，其光电转换效率为 26.7%，开路电压为 2.14 V，短路电流密度为 15.15 mA cm⁻²，填充因子为 82.4%（补充图 32），显示出良好的规模化应用潜力。团队将 1 cm² 的器件送至经认证的独立光伏校准实验室（上海微系统与信息技术研究所，SIMIT）进行认证，获得 26.4% 的认证光电转换效率，且无迟滞现象（图 4e 和补充图 33），与实验室测量值吻合良好。在 300 s 的连续跟踪测试中，该 1 cm² 钙钛矿 - 有机叠层电池的最大功率点跟踪效率仍能达到 26.5% 的稳定光电转换效率（图 4f）。如图 4g 和补充表 9 所示，该认证光电转换效率超过了所有已认证的厘米级单结钙钛矿太阳能电池、钙钛矿 - 铜铟镓硒（CIGS）叠层电池和钙钛矿 - 有机叠层电池的光电转换效率。

侯毅教授团队还评估了钙钛矿 - 有机叠层电池在环境大气（25 °C，相对湿度 85%）下的长期稳定性，该条件较 ISOS - L - 1 协议规定更为严苛（图 4h）。封装后的钙钛矿 - 有机叠层电池在相对湿度 85% 的环境中，经连续太阳光 LED 照射 783 小时，进行最大功率点（MPP）跟踪后，仍能保持初始效率的 80%。而单结有机光伏电池的 T₈₀（效率降至初始值 80% 所需时间）仅为 180 小时（补充图 34），这表明叠层结构在提高有机光伏电池稳定性方面具有潜力。这种提升主要归因于前电池宽带隙钙钛矿层的紫外过滤效应，该效应减少了高能光子对有机材料的降解。为实现更长的稳定性，未来团队将采取抑制宽带隙钙钛矿相分离、稳定本体异质结形貌以及为有机子电池开发稳健的界面层等策略。

文献信息：

Efficient near-infrared harvesting in perovskite–organic tandem solar cells

Zhenrong Jia,Xiao Guo,Xinxing Yin,Ming Sun,Jiawei Qiao,Xinyu Jiang,Xi Wang,Yuduan Wang,Zijing Dong,Zhuojie Shi,Chun-Hsiao Kuan,Jingcong Hu,Qilin Zhou,Xiangkun Jia,Jinxi Chen,Zhouyin Wei,

Shunchang Liu,Haoming Liang,Nengxu Li,Ling Kai Lee,Renjun Guo,Stephan V. Roth,Peter Müller-Buschbaum,Xiaotao Hao,Xiaoyan Du &Yi Hou

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09181-x