仅10天！职业技术大学，以通讯作者单位，连发2篇Nature大子刊！

倒置（p-i-n结构）钙钛矿太阳能电池因其固有的稳定性和与串联结构的兼容性，已成为钙钛矿光伏商业化的重要技术路线。近年来，通过晶体调控、界面工程和缺陷钝化等策略，其认证效率已提升至26.54%，媲美传统n-i-p结构电池。在钙钛矿组成中， FA 1-x Cs x PbI 3 （FA为甲脒）因其近乎理想的带隙和进一步提升效率的潜力而备受关注。然而，溶液加工过程中晶体的不可控成核、生长和结晶常导致晶体取向紊乱，影响电荷传输和器件稳定性。现有添加剂如二甲亚砜（DMSO）和甲基氯化铵（MACI）虽可调节结晶动力学，但可能引入孔洞或二次相。此外，缺陷钝化分子往往难以均匀分布或有效调控晶体生长。因此，开发一种能同步调控成核、取向和缺陷抑制的整体策略，是实现倒置钙钛矿太阳能电池性能突破的关键。

鉴于此，华中科技大学陈炜/刘宗豪、北京工业大学卢岳、深圳职业技术大学李竞白团队合作提出了一种基于芳香相互作用的双分子策略，通过引入6-羟基-2-萘磺酸钾（PHNS）和6-溴萘-2-胺盐酸盐（BNAC），协同调控FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿的结晶过程。PHNS中的羟基和磺酸基与Pb²⁺配位，BNAC中的铵基占据FA⁺位点，两者萘环之间形成紧密的芳香堆叠，促使晶体沿（100）面实现有序的面外取向生长。该策略显著提升了晶体质量、缺陷钝化效果和载流子传输性能，使倒置钙钛矿太阳能电池的功率转换效率达到27.02%（认证效率26.88%），并在连续光照下运行2000小时后仍保持98.2%的初始效率。此外，孔径面积为11.09 cm²的倒置微型模块实现了23.18%的认证稳态效率，全钙钛矿串联太阳能电池的认证效率达29.07%。相关研究成果以题为“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”发表在最新一期《Nature Energy》上。

值得注意的是，2025年9月30日，深圳职业技术大学李竞白联合香港科技大学章勇、南方科技大学王行柱和徐保民等人，发表Nature Synthesis，仅仅间隔10天，再发Nature Energy。

【钙钛矿晶体结构与取向】

通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）分析，未添加任何分子的对照组钙钛矿薄膜在（100）面表现为随机的晶体取向（图1a），而PHNS + BNAC改性的薄膜在90°方位角处显示出显著的（100）衍射峰（图1b），表明其具有主导的面外取向。Herman取向因子从对照组的-0.009提升至-0.110，说明面外取向增强了十倍。X射线衍射（XRD）进一步证实了（100）面相对于（110）和（111）面的强度比和织构系数随PHNS与BNAC的加入而逐步提高。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和纳米束衍射（NBD）分析显示，对照组薄膜晶界不规则、晶体取向杂乱（图1c,e,g,h），而PHNS + BNAC样品则呈现出笔直、贯通的晶界和均匀的（100）晶面排列（图1d,f,i,j）。微应变分析也表明，双分子添加剂显著提升了薄膜的应变均匀性（图1k,l）。

图 1. 钙钛矿晶体结构和取向

【钙钛矿晶体生长机制】

对照组钙钛矿呈现“角向上”生长模式，导致晶体堆叠无序（图2a–c）；而PHNS + BNAC样品则转变为“面向上”生长模式，实现了高度有序的面外取向（图2d–f）。核欧沃豪斯效应光谱（NOESY）显示PHNS与BNAC的萘环间距约为4 Å，证实了芳香堆叠作用的存在。理论计算表明，PHNS与PbI₂的结合能（Eb）为-0.87 eV，而PHNS + BNAC双分子系统与PbI₂的Eb提高至-1.98 eV，说明其能更稳定地引导钙钛矿有序成核与生长。原位GIWAXS与光致发光（PL）测量显示，PHNS + BNAC样品在旋涂阶段即出现α相（对应1.0 Å），并在退火过程中延长了从δ相向α相的转变时间，表明其结晶过程更为缓慢且有序，有利于形成高质量的α相晶体。

图 2. 钙钛矿晶体生长机理

【钙钛矿薄膜的光电性能】

PHNS + BNAC改性显著提升了薄膜的光电性能。稳态PL光谱显示，在260–660 nm的激发波长范围内，PHNS + BNAC样品的PL强度最高（图3a,b），说明非辐射复合被显著抑制。时间分辨光致发光（TRPL）测量进一步表明，该样品的载流子寿命最长（图3c），PL映射图像也显示出更均匀的发光强度和寿命分布（图3d,e）。光致发光量子产率（PLQY）从对照组的0.69%提升至7.78%，对应准费米能级分裂提升了62.3 meV，预示着开路电压（VOC）的增强。开尔文探针力显微镜（KPFM）显示PHNS + BNAC薄膜表面电位更为平坦，费米能级向导带底移动了约0.34 eV（图3g–i），有助于电子在钙钛矿/电子传输层界面的高效提取。

图 3. 钙钛矿薄膜的光电特性

【器件的光伏性能】

基于上述优化，研究者制备了结构为ITO/4PADCB/Al₂O₃/FA0.95Cs0.05PbI₃/PI/PCBM/BCP/Ag的倒置钙钛矿太阳能电池。电流密度-电压（J-V）曲线显示，PHNS + BNAC器件的冠军效率为27.02%，远高于对照组（24.82%）和仅添加PHNS的器件（25.91%）（图4a）。该效率提升源于短路电流密度（JSC）、VOC和填充因子（FF）的同步改善，且滞后效应减弱，器件重现性提高（图4b）。外量子效率（EQE）积分得到的JSC为25.32 mA cm⁻²，与J-V测量结果一致。经两家第三方机构认证，其稳态效率分别为26.42%和26.53%，是目前单结钙钛矿电池中最高水平之一（图4c）。在11.09 cm²的微型模块中，器件实现了23.49%的反向扫描效率，并经认证稳态效率达23.18%（图4d）。稳定性方面，封装后的PHNS + BNAC器件在85 °C/85%相对湿度的湿热条件下600小时后仍保持95.9%的初始效率，在65 °C环境空气中连续最大功率点跟踪（MPPT）2000小时后效率保持率达98.2%（图4e）。此外，将该策略应用于窄带隙钙钛矿FA0.95Cs0.05Sn0.5Pb0.5I₃中，同样观察到（100）面外取向的增强，器件效率从21.08%提升至23.50%。最终，全钙钛矿串联太阳能电池实现了29.26%的效率（认证29.07%），其宽窄带隙子电池的EQE积分电流密度分别为16.1 mA cm⁻²和15.7 mA cm⁻²（图4f,g）。

图 4. 器件的光伏性能

【总结与展望】

本研究通过PHNS与BNAC之间的芳香相互作用，成功实现了钙钛矿晶体成核、取向生长与缺陷钝化的协同调控。该双分子策略不仅诱导了高度有序的面外（100）取向，还显著提升了薄膜的结晶质量和载流子传输性能，使倒置钙钛矿太阳能电池在效率与稳定性方面均取得突破。器件在27.02%的高效率下仍具备优异的操作稳定性，微型模块与串联电池的认证效率进一步证明了该策略的可扩展性与应用潜力。该工作为钙钛矿光伏器件的晶体生长调控与缺陷管理提供了新范式，为实现高效率、高稳定性的钙钛矿商业化器件开辟了可行路径。

来源：高分子科学前沿

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