文章介绍
钙钛矿和有机半导体的宽带隙可调谐性使得钙钛矿-有机叠层太阳能电池的开发具有有希望的理论效率。然而，报道的钙钛矿-有机叠层太阳能电池的认证效率仍然低于单结钙钛矿太阳能电池的认证效率，主要是因为窄带隙有机亚电池中的近红外光电流不足。
基于此，新加披国立大学侯毅等人设计并合成了一种不对称非富勒烯受体(NFA)，P2EH-1V，P2 EH-1V具有单边共轭π桥，在保持理想激子解离和纳米形貌的同时，将光学带隙降低到1.27 eV。瞬态吸收光谱证实了从P2 EH-1V到施主PM 6的有效空穴转移。基于P2 EH-1V的器件显示出0.20 eV的降低的非辐射电压损耗，而不影响电荷产生效率。实现了17.9%的有机底部电池的效率，具有28.60 mA cm-2的高短路电流密度(Jsc)。此外，我们最大限度地减少了界面复合损耗，使钙钛矿顶部电池能够实现1.37 V的惊人开路电压(Voc)和85.5%的填充因子(FF)。这些进步导致钙钛矿-有机叠层太阳能电池在大于1cm 2的孔径面积上实现了26.7%的创纪录效率(认证为26.4%)。该论文近期以“Efficient near-infrared harvesting in perovskite–organic tandem solar cells”为题发表在顶级期刊Nature上。
研究亮点：
新型NFA P2EH-1V：设计并合成了新型不对称非富勒烯受体P2EH-1V，具有单侧共轭π桥，降低光学带隙至1.27 eV。
效率提升：基于P2EH-1V的钙钛矿-有机叠层太阳能电池实现了27.5%的效率。
稳定性增强：优化后的电池展现出更好的长期稳定性。
研究内容：
该研究专注于通过分子设计来提高钙钛矿-有机叠层太阳能电池的性能。科研团队通过精确调控分子结构，实现了受体的3D结构，这种结构不仅提高了光吸收和电荷传输效率，还有助于减少能量损失，提高电池的整体性能。
研究意义：
性能提升：这项工作提供了一种通过分子设计来提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的新方法。
推动产业化进程：这种新型NFA技术为钙钛矿太阳能电池的商业化和大规模生产提供了新的可能性，有助于推动可再生能源技术的发展和应用。
科学贡献：该研究为理解和设计高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供了新的视角，对于钙钛矿太阳能电池领域的科学进步具有重要贡献。
图文信息
图1. NFA设计和器件性能。a，受体的分子结构。B，P2 EH，P2 EH-1V和P2 EH-2 V薄膜的吸收光谱。c. PM_6、P_2EH、P_2EH-1V和P_2EH-2 V纯膜的能级图。d，PM 6：NFA共混物膜在面内(30°<x < 90°）和面外（0° <x < 30°）方位角上积分的径向GIWAXS分布。e，单结有机光伏器件的Champion J-V曲线。f，单结有机光伏器件的EQE曲线。g，本工作的冠军钙钛矿-有机叠层电池与先前报道的在受体与PCE的光学带隙方面PCE ≥ 22%的钙钛矿-有机叠层电池之间的比较。
图2. 电荷动力学和能量损失分析。a-c，PM 6：P2 EH(a)、PM 6：P2 EH-1V(B)和PM 6：P2 EH-2 V(c)共混物膜的飞秒瞬态吸收光谱。d，在575 nm处探测的供体GSB信号的痕量动力学。e，光电流密度对有效电压(Jph-Veff)的特性。f，相应有机太阳能电池的Eloss分析的总结。g-i，对于基于PM 6：P2 EH(g)、PM 6：P2 EH-1V(h)和PM 6：P2 EH-2 V(i)共混物的器件，通过Marcus方程对傅里叶变换光电流光谱EQE和电致发光(EL)曲线的高斯拟合。
图3. 单结WBG钙钛矿太阳能电池。a，Me-4 PACz和Br-Ph-4 PACz的分子结构。B，钙钛矿与Me-4 PACz和Br-Ph-4 PACz之间的能带对准。c，钙钛矿的稳态PL光谱(左)和Me-4 PACz和Br-Ph-4 PACz上钙钛矿膜的PLQY计算比较(右)。d，单结WBG钙钛矿太阳能电池的Voc损耗分析。e，从纯钙钛矿和SAM/钙钛矿的强度依赖Voc和准费米能级分裂(QFLS)测量获得的伪J-V曲线。f，Me-4PACz和Br-Ph-4PACz钙钛矿太阳能电池的瞬态光电流衰减。结果用单指数函数拟合。g，Me-4PACz上的钙钛矿膜的共焦PL映射图像。比例尺，1 μm。h，Br-Ph-4PACz上的钙钛矿膜的共焦PL映射图像。比例尺，1 μm. i，基于Me-4PACz和Br-Ph-4PACz的钙钛矿太阳能电池的J-V扫描。
图4. 具有P2 EH-1V和Br-Ph-4PACz的钙钛矿-有机串联电池。a，钙钛矿-有机叠层电池的横截面扫描电子显微镜图像。比例尺，500 nm。B，单结有机光伏电池、钙钛矿太阳能电池和钙钛矿-有机叠层电池的冠军J-V曲线和光伏参数的组合。c，具有不同NFA的钙钛矿-有机叠层电池的Jsc(左)和PCE(右)的统计分布(每种类型12个装置)d，分别用于钙钛矿-有机叠层电池中的钙钛矿和有机子电池的EQE曲线和积分Jsc e，由SIMIT认证的最佳1-cm 2钙钛矿-有机叠层电池的J-V曲线f，冠军1-cm 2装置的MPP跟踪测量g，厘米级单结钙钛矿太阳能电池、钙钛矿-钙钛矿叠层电池、钙钛矿-CIGS叠层电池和钙钛矿-有机叠层电池的报告的独立认证PCE的总结。h，钙钛矿-有机叠层电池的长期MPP跟踪结果。
器件制备
器件制备：
ITO/Br-Ph-4PACz/PVSK/C60/SnO2/ITO/MoO3/BHJ/PDINN/Ag
1.洗干净的ITO玻璃，UV 15min，1 mg/mL Br-Ph-4PACz EtOH，4000rpm 30s旋涂，100℃退火10min;
2. 。1 M (Cs0.25FA0.75Pb(Br0.4I0.6)3)在DMF/DMSO(4:1 v/v)，60℃过夜搅拌。3000rpm 60s旋涂，结束前15s，200 ul MeAc反溶剂，100℃退火15min;
3. 0.5mg/ml EDAI2 IPA，3000rpm 30s旋涂，100℃退火5min;
4. 蒸镀20 nm C60，20 nm SnO2，5 nm ITO，15 nm MoO3;
5. 总浓度为16 mg ml-1的PM 6：受体共混物溶液(D：A = 1：1.2，总共16 mg ml-1，来自氯仿溶液，含有10 mg ml-1 1 1-溴-3，5-二氯苯作为固体添加剂)在40 ℃下加热直至完全溶解，3000rpm 30s旋涂，100℃退火5min;
6. 1 mg/ml PDINN甲醇，3000rpm 30s旋涂;
7. 蒸镀100 nm Ag。
文章信息
Jia, Z., Guo, X., Yin, X. et al. Efficient near-infrared harvesting in perovskite–organic tandem solar cells. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09181-x
DOI: 10.1038/s41586-025-09181-x
