论文概览
针对全钙钛矿叠层电池中窄带隙锡铅（Sn-Pb）钙钛矿面临PEDOT:PSS空穴传输层酸性腐蚀、Sn²⁺易氧化、结晶过快三大技术瓶颈，南京工业大学联合多家科研团队创新性提出“一石二鸟”型多功能分子调控策略。该研究通过将4-磺基苯二甲酸三铵盐（SATS）同时引入PEDOT:PSS层与钙钛矿前驱体溶液，实现了界面特性调控与结晶动力学优化的协同增效。SATS不仅有效提升PEDOT:PSS电导率并调节其功函数，更通过强配位作用延缓钙钛矿结晶、抑制Sn²⁺氧化，显著提升薄膜质量。基于该策略，单结Sn-Pb钙钛矿太阳能电池实现了23.85%的光电转换效率，并将其应用于两端全钙钛矿叠层电池后，效率进一步提升至28.74%。该研究以"All-in-One Molecule Regulated Buried Interface and Crystallization of Tin–Lead Perovskite for Efficient All-Perovskite Tandem Solar Cells"为题发表于顶级期刊《德国应用化学》。
技术亮点
双功能分子设计：SATS同时作用于空穴传输层与钙钛矿体相，实现界面修饰与结晶调控的协同优化。
界面电学特性调控：SATS使PEDOT:PSS功函数提升0.13 eV，表面粗糙度从2.08 nm降至1.48 nm，电导率显著增强。
结晶动力学延缓：SATS与SnI₂/PbI₂/FAI的强配位作用延缓晶化进程，促进垂直取向晶粒生长。
氧化抑制与缺陷钝化：Sn⁴⁺比例显著降低，陷阱密度从4.19×10¹⁵ cm⁻³降至3.54×10¹⁵ cm⁻³，器件运行1000小时效率保持85%。
研究意义
✅ 突破Sn-Pb钙钛矿效率瓶颈：单结效率达23.85%，叠层效率28.74%，推动全钙钛矿叠层技术发展。
✅ 建立界面-体相协同调控新范式：实现传输层改性与结晶优化的统一策略。
✅ 解决Sn²⁺氧化关键技术难题：通过分子配位作用显著提升材料稳定性。
✅ 为高效稳定全钙钛矿叠层电池提供材料设计与工艺基础。
深度精读
图1：SATS对PEDOT:PSS层的多功能调控
该组图像展示了SATS添加剂对空穴传输层PEDOT:PSS的物理化学性质优化效果。原子力显微镜图像显示，SATS修饰后的薄膜表面粗糙度显著降低，说明其促进了更均匀的界面形貌。拉曼光谱中Cα=Cβ振动峰的红移表明PEDOT链构象从苯式向醌式转变，增强了电荷传输能力。开尔文探针力显微镜进一步证实SATS修饰使表面电势从-114 mV升至-93 mV，表明p型特性增强，而电导率测试中改性薄膜的电流密度提升约一个数量级，综合证明了SATS对界面能级和电荷提取效率的协同优化。
图2：SATS调控钙钛矿结晶动力学的机制
通过傅里叶变换红外光谱和结合能计算，本研究揭示了SATS与钙钛矿前驱体之间的强配位作用。FTIR中C=N、C=O和S=O键的位移表明SATS与FAI、SnI₂/PbI₂存在分子间相互作用，而DFT计算显示SATS与钙钛矿组分的结合能高于DMSO，有效延缓了结晶速率。原位荧光和紫外-可见光谱动态监测发现，SATS修饰的薄膜在退火过程中荧光淬灭延迟且吸收谱稳定时间延长，证实其抑制了快速结晶导致的缺陷形成。GIWAXS图谱中(100)晶面衍射强度增强，进一步说明SATS诱导了择优取向生长，提升了薄膜结晶质量。
图3：薄膜形貌与Sn氧化抑制的表征
扫描电镜图像显示，SATS处理后的钙钛矿薄膜表面SnF₂白色颗粒消失，表明SATS通过配位作用实现了SnF₂的均匀分散，同时薄膜粗糙度从48.3 nm降至31.3 nm。截面SEM中改性薄膜呈现垂直排列的晶粒结构，埋底界面致密无孔洞，证明了界面工程对薄膜均匀性的提升。XPS分析中Sn 3d谱的Sn⁴⁺比例显著下降，说明SATS通过提高Sn²⁺周围的电子密度有效抑制了其氧化，为器件稳定性奠定基础。
图4：光电性能与能级对齐的优化
开尔文探针力显微镜显示SATS处理后的钙钛矿薄膜表面电势分布更均匀且平均值从120 mV升至273 mV，反映了氧化抑制带来的电子无序度降低。紫外光电子能谱表明PEDOT:PSS的费米能级下移0.13 eV，增强了p型特性，而钙钛矿层n型特性凸显，优化了能级对齐。荧光光谱中顶部激发强度增强和底部激发荧光淬灭证实了缺陷钝化和空穴提取效率提升，空间电荷限制电流测试进一步表明陷阱密度从4.19×10¹⁵ cm⁻³降至3.54×10¹⁵ cm⁻³，印证了非辐射复合的有效抑制。
图5：器件性能与叠层电池集成效果
电流密度-电压曲线显示SATS修饰的单结Sn-Pb钙钛矿电池效率从21.17%提升至23.85%，开路电压、短路电流和填充因子均显著改善。外量子效率积分电流与J-V结果一致，能量损失分析表明改性器件在电压和填充因子方面的损失降低。最大功率点跟踪测试中，改性器件在1000小时后仍保持85%的初始效率，而对照样品600小时衰减30%，证明SATS显著提升了器件稳定性。最终，基于SATS优化的窄带隙子电池与1.77 eV宽带隙子电池集成的两端全钙钛矿叠层器件实现了28.74%的转换效率，EQE验证了子电池间的电流匹配。
结论展望
本研究通过“一石二鸟”型分子策略，利用SATS多功能添加剂同时实现了PEDOT:PSS界面特性调控与锡铅钙钛矿结晶优化，将单结Sn-Pb电池效率提升至23.85%，并推动全钙钛矿叠层电池效率达到28.74%。该工作不仅为解决Sn-Pb钙钛矿面临的界面不稳定、结晶过快、Sn²⁺易氧化等关键技术难题提供了创新解决方案，也为全钙钛矿叠层电池的效率提升与稳定性改进提供了新的材料设计思路。随着分子工程的进一步深化与工艺参数的持续优化，全钙钛矿叠层技术有望在效率、稳定性与成本控制方面实现全面突破，为新一代光伏技术商业化应用奠定坚实基础。
文献来源
Jin, X., Cao, J., Sui, S. et al. All-in-One Molecule Regulated Buried Interface and Crystallization of Tin–Lead Perovskite for Efficient All-Perovskite Tandem Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e18800.
https://doi.org/10.1002/anie.202518800
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