论文概览
针对钙钛矿/ 硅叠层太阳能电池(TSCs)中纳米纹理硅衬底上 1μm厚宽带隙钙钛矿薄膜质量差、缺陷密度高及稳定性不足的关键挑战，中科院大连化物所联合多家科研团队基于密度泛函理论和布朗斯特酸碱化学原理，设计了一种两性共面共轭分子(ACCM)——2 - 甲基 - 3H - 苯并咪唑- 5 - 羧酸(MBC)。该分子通过官能团间诱导效应形成多种离子形态，结合π堆积作用与钙钛矿组分建立多重强相互作用，有效调控结晶动力学并钝化缺陷，显著改善钙钛矿薄膜的体相和界面性能，即使在
1μm厚度下仍保持优异光电性能。最终，钙钛矿 / 硅叠层器件实现31.57% 的卓越效率，跻身当前 TSCs 最高水平，并在户外条件下展现出色长期稳定性。该研究为有机添加剂开发和 TSCs 优化提供了创新视角，相关成果以“Amphoteric coplanar conjugated molecules enabling efficient and stable perovskite/silicon tandem solar cells”为题发表于Nature Communications。
技术亮点
两性分子设计：MBC 兼具羧酸(质子供体)与咪唑(质子受体)基团，通过诱导效应降低羧基 pKa 促进去质子化，形成离子形态增强与钙钛矿相互作用。
结晶动力学调控：减缓钙钛矿结晶速率，抑制中间相形成，促进(100)晶面优先生长，晶粒尺寸从 317nm 增至 405nm，降低晶界缺陷。
缺陷协同钝化：通过离子作用与氢键分别钝化正 / 负电荷缺陷，提高缺陷形成能，消除深浅能级陷阱态，减少非辐射复合。
厚膜质量优化：1μm 厚钙钛矿薄膜实现均匀覆盖与低粗糙度，增强载流子迁移率，提升叠层器件电荷传输效率。
深度解析
图1该图展示了基于密度泛函理论和布朗斯特酸碱理论设计的MBC分子结构及其与PbI₂的相互作用机制，通过对比苯甲酸(pKa=4.20)与MBC(羧基pKa=2.99)的结合能差异(-3.86 eV vs -1.93 eV)，证实MBC的羧酸根阴离子与Pb²⁺的强配位能力，同时ESP图像显示MBC⁺和MBC⁻的偶极矩分别达16.9 D和19.2 D，这种两性离子特性使其能同时钝化钙钛矿中的正负电荷缺陷，计算还表明MBC可将Pb空位形成能从1.23 eV提升至1.87 eV，并有效消除带隙中央的深能级缺陷态密度，为后续实验提供了理论支撑。
图2通过原位紫外可见吸收光谱对比发现，添加MBC的钙钛矿薄膜结晶时间从33秒延长至79秒(70°C退火条件)，这种缓结晶过程使晶粒尺寸从317 nm增大至405 nm，XRD纹理系数分析显示(100)晶面择优生长程度从1.15提升至1.40，而导电原子力显微镜(c-AFM)测得表面隧穿电流从0.152 nA增至0.313 nA，GIWAXS衍射环分析进一步证实MBC诱导了晶体沿面外方向的择优取向，这些结果共同解释了MBC通过调控结晶动力学实现薄膜质量提升的机制。
图3瞬态吸收光谱显示MBC改性薄膜在725 nm处基态漂白信号衰减更快(6 ns时间尺度)，表明空穴提取动力学得到增强，稳态PL mapping显示发光强度提升且分布更均匀，双异质结模型计算得出体相载流子寿命从1.26 μs延长至5.26 μs，表面复合速度从67 cm/s降至32 cm/s，离子迁移活化能测试表明MBC使迁移激活能从171 meV增至283 meV，迁移速率相应降低两个数量级(9.10×10¹⁰ s⁻¹→1.63×10⁹ s⁻¹)，连续光照60分钟后PL峰位偏移从12 nm(754→766 nm)减少至4 nm(752→756 nm)，证实了MBC对相分离的显著抑制效果。
图4单结宽禁带钙钛矿电池(580 nm厚)在MBC优化后效率从22.33%提升至23.56%，Voc达1.265 V，热导纳谱测得缺陷密度在0.35-0.50 eV能级区间显著降低，SQ极限分析显示非辐射复合损失减少是FF提升(0.84→0.86)的主因，当薄膜厚度增至960 nm时仍保持22.47%的效率，基于纳米织构硅底电池的叠层器件最终实现31.57%的认证效率(Voc=1.93 V，FF=81%)，MPP跟踪显示600秒稳定输出效率达31.10%，未封装器件在ISOS-D-1标准下T80寿命从1620小时延长至4000小时，连续光照稳定性测试(ISOS-L-1)中T80从400小时提升至1300小时，展现了优异的产业化潜力。
结论展望
本研究通过设计两性共面共轭分子 MBC，实现了钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池 31.57% 的高效率与优异稳定性，成功解决了纳米纹理衬底上厚膜钙钛矿的质量瓶颈。MBC 通过调控结晶动力学、钝化缺陷与优化界面特性的多重作用，为钙钛矿薄膜质量提升提供了全新思路。这一创新不仅验证了有机添加剂在叠层器件中的关键价值，更建立了“酸碱特性 - 共轭结构 - 器件性能”的关联范式。展望未来，随着分子设计的精细化、工艺兼容性的深化及大面积制备技术的突破，钙钛矿 / 硅叠层技术有望在效率、稳定性与成本之间实现更优平衡，加速第三代光伏技术的商业化进程。
文献来源
Yang, D., Fahadi, B., Jia, X. et al. Amphoteric coplanar conjugated molecules enabling efficient and stable perovskite/ silicon tandem solar cells. Nature Communications (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62700-2
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