文章介绍
宽带隙钙钛矿作为主流叠层太阳能电池顶层电池的光活性层具有关键作用。然而，宽带隙钙钛矿太阳能电池的本征不稳定性主要归因于多重离子迁移所引起的空位缺陷。
基于此，复旦大学张鸿、莫晓亮，深圳理工大学白杨等人将含醚环的超分子引入钙钛矿体系，该超分子策略通过调控卤素离子与一价阳离子及铅离子的配位，有效调控结晶动力学并抑制光照诱导的卤素相分离。基于此，经超分子工程优化的带隙为 1.77 eV 的钙钛矿太阳能电池获得 21.01% 的冠军光电转换效率，并在最大功率点跟踪测试 1000 小时后仍保持初始效率的 95%，表现出优异的运行稳定性。同时，两端全钙钛矿叠层太阳能电池实现 28.44% 的冠军效率（认证效率 27.92%）。本工作为利用超分子策略提升混合卤素宽带隙钙钛矿薄膜质量及其光照稳定性开辟了新途径。该论文近期以“A supramolecular approach to improve the performance and operational stability of all-perovskite tandem solar cells”为题发表在顶级期刊Nature Communications 上。
图文信息
图1：研究了冠醚与分子间的相互作用. a钙钛矿中卤素的调节示意图.（b）对照和（c）冠醚修饰的钙钛矿薄膜在532激光连续照射下的原位PL图. d冠醚在DMSO-d6溶液中分别与FAI、CsI和PbI2混合的1H NMR谱.对未修饰和修饰前后钙钛矿薄膜的（e）I 3d轨道和（f） Br 3d轨道的XPS谱进行了研究。
图2：研究了钙钛矿薄膜的表面形貌和载流子动力学特性。a）对照和（b）冠醚修饰钙钛矿薄膜的SEM图像。c）不含冠醚修饰的钙钛矿薄膜和含冠醚修饰的钙钛矿薄膜的XRD图谱。d）对照和e冠醚修饰的钙钛矿前驱体墨水在旋涂过程中的原位PL演变。f冠醚修饰的钙钛矿/SAM/NiOx/ITO的TOF-SIMS深度分布。g电子-空穴传输线的陷阱填充极限电压（VTFL）。h.使用空间电荷限制电流法获得的空穴-纯器件的陷阱填充极限电压（VTFL）。i.通过532 nm激光从NiOx/SAM侧和从PCBM侧获得的对照和冠醚改性的钙钛矿膜的TRPL光谱。（TRPL谱的拟合结果。有效载流子寿命使用双指数拟合Y = A1exp(−T/T1)+A2 exp(T/T2)计算，其中A1和A2是相对振幅，T1、T2、和Ta分别是快、慢和平均载流子寿命。
图3：1.77eV WBG型太阳能电池的光伏性能和工作稳定性。a.倒置WBG型太阳能电池的器件结构。b.对照和冠醚修饰型太阳能电池的Voc统计分布和c. PCE统计分布。d对照和冠醚改性的PSC的J-V曲线。e对照和冠醚改性的PSC的EQE光谱和积分Jsc。f对照和冠醚改性的PSC的稳态PCE。g对照和冠醚改性的PSC的操作稳定性试验，在没有UV滤光器的全太阳光照下测量（在100 mW/cm2的AM 1.5G下的光照射）。
图4：半透明1.77eV太阳能电池和太阳能电池的光伏性能。a半透明1.77eV PSC和用于4T TSC的NBG底部电池的器件结构。b半透明对照和冠醚改性PSC的UV-vis透射光谱。c具有冠醚改性的半透明1.77eV PSC的4T TSC的J-V曲线，4T TSC与半透明1.77 eV PSC和过滤Sn-Pb PSC的EQE光谱。e 4T TSC与半透明1.77 eV PSC和过滤Sn-Pb PSC的稳态PCE光谱。f半透明1.77eV太阳能电池和2T太阳能电池的NBG底电池的器件结构。g对照和冠醚修饰的2T太阳能电池的J-V曲线。h具有冠醚修饰的WBG顶电池和Sn-Pb底电池的2T太阳能电池的EQE谱。
总之，作者等人将大环冠醚作为添加剂引入 1.77 eV 宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG PSC），以协同调控卤素离子与阳离子的配位环境。冠醚的富氧大醚环可与 FA⁺、Cs⁺及低配位 Pb²⁺形成多重配位键，协同抑制 I⁻/Br⁻的离子迁移，从而显著抑制卤素相分离，降低缺陷态密度，并抑制光生载流子的非辐射复合。最终，经冠醚修饰的 1.77 eV PSC 在未封装条件下实现 21.01% 的优异PCE，并在MPP跟踪 1000 h后仍保持初始效率的95%。此外，得益于 冠醚环外侧疏水氢原子的疏水屏障效应，冠醚修饰的 WBG PSC 展现出优异的湿度稳定性。在半透明器件方面，冠醚修饰的半透明 PSC 在近红外区具有更高的透射率，并获得 18.97% 的 PCE；与 1.24 eV Sn–Pb钙钛矿底电池构建的四端（4-T）全钙钛矿叠层太阳能电池（TSC）效率达到 28.37%。进一步地，冠醚修饰的两端（2-T）全钙钛矿 TSC 效率高达 28.44%（认证值27.92%）。本工作为利用主-客体策略设计高效且稳定的WBG PSC 及 TSC 提供了重要的实验依据与理论参考。
器件制备
器件结构：
WBG PVSK
ITO/NiOx/Me-4PACz/perovskite/PDAI2/PCBM/BCP/Ag
1.洗干净的ITO玻璃，臭氧20 min，10 mg/mL NiOx NP水，4000rpm 30s旋涂，100℃退火10min，转移至手套箱内；1 mM Me-4PACz: NA(v/v=3:1)，4000rpm 30s旋涂，100℃退火10 min；
2. 1.4 mol/L Cs0.3FA0.6DMA0.1Pb(I0.7Br0.3)3(DMAI (0.14 M), CsI(0.42 M), FAI (0.84 M), PbCl2 (0.028 M), PbBr2(0.63 M), PbI2(0.77 M))溶解于DMSO中，向1mL前体溶液中加入x mg DB30C10溶质（x=0.3、0.5、1.0和2.0），手套箱中搅拌过夜，50uL 前驱液2000rpm 15s+4000rpm 45s旋涂，将氮气枪垂直定位在衬底顶部上方5cm处，并且在旋转30秒之后开始气流，并且当气流压力为30psi时持续20秒，100℃退火5 min；
3. 2 mg/mL PDAI2 IPA，4000rpm 30s旋涂，100℃退火5 min；
4. 23 mg/mL PCBM CB 2500rpm 40s旋涂，70℃退火10min；
5. 0.5 mg/mL BCP 5000rpm 30s旋涂；
6.蒸镀100 nm Ag。
NBG PVSK
ITO/PEDOT:PSS/perovskite/EDAI2/PCBM/BCP/Ag
1.洗干净的ITO玻璃，臭氧处理30 min，PEDOT:PSS 500rpm 10s+4000rpm 30s旋涂，空气中140℃退火20 min+手套箱内140℃退火30 min；
2. 1.8 M Cs0.1FA0.6MA0.3Sn0.5Pb0.5I3(46.8 mg CsI, 85.8 mg MAI, 185.7 mg FAI, 14.1 mg SnF2, 335.3 mg SnI2, 414.9 mg PbI2, 4.0 mg 甘氨酸盐酸盐, 2.7 mg NH4SCN溶于0.25 mL DMSO+0.75 mL DMF，65℃搅拌12 h，使用前0.22 um PTFE过滤，1000rpm 10s+4000rpm 40s旋涂，结束前20s 400uL CB反相，100℃退火10 min+65℃退火超过10 min；
3. 1 mg/mL EDAI2 IPA，4000rpm 30s旋涂，100℃退火5 min；
4. 23 mg/mL PCBM CB 2500rpm 40s旋涂，70℃退火10min；
5. 0.5 mg/mL BCP 5000rpm 30s旋涂；
6.蒸镀100 nm Ag。
文章信息
Lian, X., Jin, M., Dai, W. et al. A supramolecular approach to improve the performance and operational stability of all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 16, 7173 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62391-9
DOI:10.1038/s41467-025-62391-9
