研究内容
反式（p-i-n结构）钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的稳定性和与叠层器件的兼容性，已成为钙钛矿光伏商业化的重要方向。然而，其光电转换效率（PCE）与理论极限仍有差距，主要瓶颈在于钙钛矿晶体的无序生长和缺陷态密度高。近年来，尽管通过添加剂调控晶体生长和缺陷钝化等手段不断涌现，但多数策略仅依赖单一分子或单一作用机制，难以同时实现晶向调控、缺陷抑制与界面稳定。
2025年10月10日，华中科技大学陈炜/刘宗豪、北京工业大学卢岳以及深圳职业技术大学李竞白团队合作在《Nature Energy》上发表题为“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”的研究论文，提出了一种基于芳香相互作用的双分子协同策略，成功实现了钙钛矿晶体取向的精准控制与缺陷的有效钝化。
研究团队选用了两种功能性萘基分子：6-羟基-2-萘磺酸钾（PHNS）与6-溴-2-萘胺盐酸盐（BNAC）。PHNS分子两端的羟基和磺酸基可与钙钛矿前驱体中的铅离子（Pb²⁺）发生配位，而BNAC分子的铵根离子（-NH₃⁺）则可占据甲脒（FA⁺）空位。更重要的是，两者所含的萘环之间可形成距离约3.6 Å的紧密芳香堆叠，像一把“分子锁”一样，紧贴在[PbI₆]⁴⁻八面体旁，引导晶体沿（100）晶面实现面外定向生长。
通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）与高分辨透射电镜（HR-TEM）分析，研究团队证实，双分子修饰后的FA₀.₉₅Cs₀.₀₅PbI₃钙钛矿薄膜呈现出高度一致的（100）取向，晶界清晰、贯穿性强，微观应变分布也更加均匀。理论计算进一步表明，PHNS与BNAC形成的双分子体系与PbI₂的结合能高达–1.98 eV，远高于单一分子或传统溶剂DMSO，说明其在结晶初期即可优先吸附于晶核表面，引导晶体以“面朝上”模式有序生长，而非对照组中常见的“角朝上”无序堆叠。
除了调控晶体生长，该双分子体系也显著增强了缺陷钝化效果。稳态荧光（PL）与时间分辨荧光（TRPL）测试显示，PHNS+BNAC样品的荧光量子产率（PLQY）从对照组的0.69%提升至7.78%，载流子寿命显著延长，表明非辐射复合被有效抑制。理论模拟指出，双分子对碘空位（V_I）、甲脒空位（V_FA）和铅空位（V_Pb）等常见缺陷的结合能均高于单分子体系，展现出“协同钝化”的优势。
在器件性能方面，基于PHNS+BNAC的反式PSCs实现了27.02%的最高效率（认证效率26.88%），各项参数均衡提升，迟滞效应显著减小。在持续光照、最大功率点跟踪（MPPT）条件下，封装器件在环境空气中运行2000小时后仍保持98.2%的初始效率，展现出卓越的工作稳定性。此外，该策略具备良好的拓展性：11.09 cm²的迷你组件实现了23.18%的认证稳态效率，全钙钛矿叠层电池更是实现了29.07%的认证效率，均为同类器件中的领先水平。
该研究不仅提供了一种高效、稳定的钙钛矿结晶调控新路径，也展示了多分子协同在材料设计中的巨大潜力，为钙钛矿光伏技术的产业化推进奠定了扎实基础。
研究亮点
1、双分子芳香堆叠引导晶体定向生长：通过PHNS与BNAC分子间的芳香相互作用，精准调控钙钛矿沿（100）晶面取向结晶，显著提升载流子传输效率与薄膜质量。
2、协同钝化实现高效率与高稳定性：双分子协同作用强化了对空位与晶界缺陷的锚定，器件效率突破27%，并在连续工作2000小时后仍保持98.2%的初始性能。
3、普适性强，适用于多种器件结构：该策略可拓展至大面积组件与全钙钛矿叠层电池，分别实现23.18%与29.07%的认证效率，展示出优异的产业化前景。
图文速览
图1 钙钛矿晶体结构与取向
图2 钙钛矿晶体生长机制
图3 钙钛矿薄膜的光电性能
图4 器件的光伏性能
研究结论
本研究通过构建PHNS与BNAC双分子功能体系，利用其芳香堆叠与协同配位作用，成功引导钙钛矿实现（100）晶面的面外定向生长，同步提升结晶质量与缺陷钝化效果。基于该策略的反式钙钛矿太阳能电池实现了27.02%的高效率与2000小时运行下98.2%的卓越稳定性，同时在大面积组件和全钙钛矿叠层电池中均表现出优异的拓展性与认证效率。该工作不仅为钙钛矿晶体调控提供了全新的分子设计思路，也为其产业化进程中效率与稳定性的协同提升提供了可行路径。
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01882-x
