论文概览
面对便携式电子设备对高效、集成化能源系统的迫切需求，光伏驱动电池(PVB)作为一种将光能采集与电能存储融为一体的创新解决方案，正成为研究热点。然而，传统PVB在集成度、柔性化与稳定性方面仍面临重大挑战。香港城市大学朱宗龙、支春义团队联合多家科研单位，创新性地提出了一种基于乙基紫精二碘化物(EVI₂)的双功能材料共享策略，成功实现了全钙钛矿结构的光伏-电池一体化器件。该研究通过EVI₂同时修饰钙钛矿太阳能电池(PSC)界面并衍生成钙钛矿型阴极材料(EVSn₂I₆)，显著提升了光-电-储整体性能。最终，刚性集成器件实现了18.54%的总能量转换效率，柔性器件也达到17.62%，并能在100次光充放电循环中保持稳定输出。该器件成功驱动可穿戴血糖仪连续工作24小时，实现了实时数据监测与传输，展现出在下一代便携电子产品中的巨大应用潜力。该研究以“Highly efficient all-perovskite photovoltaic-powered battery with dual-function viologen for portable electronics”为题发表于Nature Communications。
技术亮点
双功能紫精分子设计：EVI₂既作为PSC界面修饰剂提升电子传输，又作为电池阴极前驱体，实现多电子氧化还原反应。
高效界面钝化与载流子管理：EVI₂修饰使钙钛矿/C₆₀界面缺陷态密度显著降低，PL寿命从223.5 ns提升至457.4 ns。
超高循环稳定性电池：EVSn₂I₆阴极在5 A g⁻¹下循环10,000次仍保持89%容量，每圈衰减率仅0.0011%。
柔性一体化器件集成：采用PET隔离层与银胶封装技术，实现柔性PVB器件在弯曲半径8 mm下千次循环仍保持88%效率。
研究意义
✅ 实现光-储一体化：首次报道全钙钛矿基PVB器件，突破传统外接式设计局限。
✅ 提出材料共享新策略：同一分子在不同器件中发挥关键作用，降低成本与工艺复杂度。
✅ 推动柔性电子发展：柔性器件在弯曲、高低温环境下均表现稳定，适合可穿戴应用。
✅ 示范实际应用场景：成功为血糖仪供电24小时，验证其作为自供电系统的可行性。
深度精度
图1：乙基紫精二碘化物(EVI₂)与钙钛矿的相互作用机制
该图系统揭示了EVI₂作为界面修饰层对钙钛矿材料电子结构的调控作用。通过XPS分析(图1b,c)显示EVI₂的引入使Pb 4f和I 3d能级发生0.3-0.4 eV的负移，证实了电子从紫精氮原子向钙钛矿Pb-I骨架的转移。DFT计算(图1d-f)进一步表明EVI₂的LUMO能级与钙钛矿导带底(CBM)形成理想能级匹配，促进界面电子注入效率提升3倍。KPFM表征(图1g-j)证实EVI₂使钙钛矿表面电势分布均匀性提高60%，光照下接触电势差(CPD)变化幅度增大2.1倍，揭示了其增强电荷提取的物理机制。这种分子水平的设计使钙钛矿薄膜的荧光寿命从223.5 ns延长至457.4 ns，缺陷态密度降低45%。
图2：光伏性能与稳定性突破
展示了EVI₂修饰钙钛矿太阳能电池(PSC)的卓越性能(图2b-d)。器件采用p-i-n结构(图2a)，经EVI₂优化后效率达26.11%(Voc=1.186 V，FF=84.12%)，较对照组提升10.2%。关键突破体现在：①EQE谱显示400-800 nm波段平均量子效率达95.2%;②MPPT跟踪证实稳态效率25.66%，光强波动下输出波动<1.8%;③ISOS-L-1测试1000小时后效率保持率96.2%(图2e)，光暗循环测试(图2f)30次后衰减仅2%，创下同类器件稳定性纪录。这种性能提升源于EVI₂同时钝化界面缺陷和优化能级排列的双重作用。
图3：EVSn₂I₆钙钛矿阴极的电化学性能
通过材料创新设计(图3a)，将EVI₂衍生为1D链状EVSn₂I₆钙钛矿阴极。DFT计算(图3b)显示其对I₂/I₃⁻的吸附能比EVI₂提高1.8-2.3 eV，有效抑制多碘化物穿梭效应。电化学测试(图3c-g)表明：①CV曲线呈现EV⁰/EV⁺/EV²⁺和I⁻/I⁰/I⁺四对可逆氧化还原峰;②0.5 A g⁻¹下比容量达296.1 mAh g⁻¹(理论值89.3%);③5 A g⁻¹高倍率循环10,000次后容量保持率89%(图3g)，单周衰减率仅0.0011%，优于99%的有机电极材料。这种"有机-无机杂化"结构通过Sn²⁺与紫精的协同作用，实现了高容量与超高稳定性的统一。
图4：光伏-电池一体化器件性能
创新性地构建了全钙钛矿光伏驱动电池系统(图4a)。微模块设计(4子电池串联)在1 sun下输出4.41 V电压(图4b)，柔性版本(图4c)经1000次弯曲后效率保持98.89%。一体化设计实现：①光-电-化学能整体转换效率18.54%;②100次充放电循环容量衰减<7.3%(图4b插图);③成功驱动可穿戴血糖仪连续工作24小时(图4d-f)，在室内光下维持3.44 V稳定电压。这种"材料共享-结构共融"策略为便携电子设备提供了能源自给的新范式。
结论展望
本研究通过EVI₂的双功能化应用，成功实现了高性能、高稳定性的全钙钛矿光伏-电池一体化器件，刚性及柔性器件的总效率分别达到18.54%和17.62%，并展示了在可穿戴医疗设备中的实际应用能力。该工作不仅为便携式电子提供了自供电解决方案，也为多功能材料设计与光-电-储集成技术提供了新思路。未来，通过进一步优化材料体系、器件结构及封装工艺，钙钛矿基PVB器件有望在物联网、智能穿戴、应急能源等领域发挥重要作用。
文献来源
Gong, J., Gao, D., Zhang, H. et al. Highly efficient all-perovskite photovoltaic-powered battery with dual-function viologen for portable electronics. Nat Commun 16, 7980 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-63272-x
