论文概览
钙钛矿/有机叠层太阳能电池是突破单结器件效率极限的重要技术路径，然而其性能长期受限于有机子电池中的复合损失。青岛大学、南方科技大学、北京师范大学等多家单位组成的联合研究团队，通过实时追踪有机薄膜从溶液到固态的演化过程，系统揭示了给体-受体比例对薄膜生长动力学、结晶特性及器件性能的调控规律。该研究采用原位掠入射广角X射线散射、紫外-可见吸收光谱与光致发光光谱等多种实时表征手段，发现给体含量不足会导致受体分子过度聚集，破坏分子有序堆积，降低结晶质量，进而阻碍激子解离、加剧电荷复合。通过精确调控薄膜形貌与结晶行为，研究团队成功抑制了复合损失，实现了认证功率转换效率高达26.42%的钙钛矿/有机叠层太阳能电池，为高效叠层器件的设计与制备提供了重要的理论与实验依据。该成果以"Organic film evolution and recombination losses in highly efficient perovskite/organic tandem solar cells"为题发表于Nature Communications。
技术亮点
实时薄膜演化追踪：利用原位GIWAXS、UV-vis与PL技术，首次实现对有机活性层从溶液到固态全过程的结晶动力学与相分离行为的实时监测。
给体-受体比例精细调控：系统研究D18:BTP-eC9-4F体系中给体含量从1:1.2至0.2:1.2的变化对分子堆积、晶体生长及取向的调控作用。
复合损失机制解析：结合飞秒瞬态吸收与电荷动力学分析，揭示给体含量降低导致界面面积减少、激子解离效率下降、陷阱辅助与双分子复合加剧的内在机制。
叠层器件集成优化：以宽禁带钙钛矿为前电池，优化后的有机子电池为后电池，构建高效叠层器件，实现26.42%的冠军效率，并具备良好运行稳定性。
研究意义
✅ 揭示薄膜生长机制：首次阐明给体含量对有机薄膜结晶动力学与形貌演化的定量影响。
✅ 提出形貌调控新策略：通过优化给体-受体比例，实现高效激子解离与电荷传输的平衡。
✅ 推动叠层效率突破：将钙钛矿/有机叠层电池效率提升至26.42%，跻身国际领先水平。
✅ 提供普适性优化思路：研究方法与调控策略可推广至其他有机光伏与非富勒烯体系。
深度解析
图1展示了D18:BTP-eC9-4F薄膜在不同D:A比例下的GIWAXS测量结果，通过二维GIWAXS图案和OOP/IP线切割提取的数据揭示了分子堆积和结晶度的变化。随着D18含量的减少，π-π堆积峰的强度逐渐降低，表明分子有序性下降，特别是当D18含量不足时，BTP-eC9-4F分子倾向于聚集，破坏了分子堆积并降低了结晶度。这些形态变化阻碍了激子解离，导致电荷复合和器件性能下降。
图2通过原位GIWAXS技术追踪了不同D:A比例下(010)峰的d间距和CCL演变过程，揭示了薄膜从溶液到固态的四个阶段转变。研究发现随着D18含量的减少，各阶段的持续时间缩短，特别是晶体生长阶段显著缩短，表明D18含量变化主要影响晶体生长过程。当D18含量不足时，CCL演变速度加快，但最终形成的结晶质量较差，这解释了为什么优化D:A比例对减少复合损失至关重要。
图3结合原位UV-vis吸收和PL光谱技术，详细展示了BTP-eC9-4F在不同D18含量下的聚集演变过程。随着D18含量降低，BTP-eC9-4F的吸收峰红移更加明显，表明受体分子聚集更紧密；同时PL强度下降更快，说明给受体相分离过程加速。这些结果表明D18含量不足会导致BTP-eC9-4F过早聚集，不利于形成有序的相分离结构，从而影响激子解离和电荷传输。
图4通过飞秒瞬态吸收光谱研究了不同D18含量下空穴从BTP-eC9-4F到D18的转移动力学。结果显示随着D18含量减少，激子解离时间常数T1和T2增加，界面过程A1减少而扩散介导过程A2增加，表明D18含量不足会减少D:A界面面积并扩大受体域，使激子解离困难且扩散路径延长。这些发现解释了为什么优化D:A比例对提高激子解离效率和减少复合损失至关重要。
图5展示了钙钛矿/有机串联太阳能电池(TSCs)的结构、截面SEM图像和光伏性能。研究通过优化有机子电池的D:A比例(1:1.2)实现了26.42%的创纪录效率，Voc为2.242V，Jsc为14.85mA/cm²，FF为79.55%。SEM图像清晰地显示了由PCBM/C60/SnOx/Au/PEDOT:PSS组成的互连层将钙钛矿层和有机活性层有效分离，EQE谱表明前后子电池的光电流匹配良好，这些结果证明了优化有机子电池薄膜形态对提高串联器件整体性能的重要性。
结论展望
本研究通过系统揭示给体含量对有机薄膜生长动力学、结晶特性与复合损失的调控机制，成功将钙钛矿/有机叠层太阳能电池的效率提升至26.42%，实现了对该体系复合损失的有效抑制与性能优化。该工作不仅深化了对有机活性层形貌演化与器件性能间关联的理解，也为今后叠层光伏器件的材料设计、工艺优化与效率突破提供了重要理论与实践指导。随着对薄膜生长机制的进一步解析与大面积制备工艺的成熟，钙钛矿/有机叠层电池有望在高效、稳定、低成本之间找到最佳平衡，推动第三代光伏技术的商业化进程。
文献来源
Cui, X., Xie, G., Ran, G. et al. Organic film evolution and recombination losses in highly efficient perovskite/organic tandem solar cells. Nat Commun 16, 8986 (2025).https://doi.org/10.1038/s41467-025-64032-7
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202510/10/50009867.html
