论文概览
针对全钙钛矿叠层太阳电池中宽带隙钙钛矿子电池的开路电压（Voc）损失与长期稳定性不足的关键问题，山东大学材料科学与工程学院研究团队创新性地提出在3D/2D钙钛矿异质结界面引入交联聚合物中间层（PIL）的策略。该研究通过将PETTA与NVCZ共聚形成的PIL精确沉积于3D钙钛矿表面，利用其富含的羰基与N/O原子有效饱和表面缺陷、释放拉伸应变，并诱导形成梯度能级排列，显著降低了3D/2D界面处少数载流子的积累与复合损失。同时，PIL的致密骨架作为物理屏障，有效阻隔了热应力下A位阳离子的迁移，极大提升了异质结的热稳定性。基于该策略，宽带隙钙钛矿电池与全钙钛矿叠层电池分别实现了20.23%与28.26%（认证效率27.29%）的冠军效率，并展现出优异的热稳定性与器件重复性。该研究以"Organic Layer Bridged 3D/2D Perovskite Heterojunction for Efficient and Stable All-Perovskite Tandem Solar Cells"为题发表于材料领域顶级期刊Advanced Materials上。
技术亮点
多功能聚合物中间层设计：采用PETTA与NVCZ共聚构建高交联度PIL，兼具缺陷钝化、能带调控与离子阻隔三重功能。
梯度能级排列优化：PIL诱导形成理想能带偏移，有效抑制电子回流与少数载流子在界面处的积累。
强化热稳定性机制：PIL骨架作为物理屏障，显著抑制高温下有机阳离子的迁移与2D/3D相转变。
协同提升载流子传输与提取：PIL降低界面缺陷密度，提升载流子寿命与提取效
率，同步优化Voc与填充因子。
深度精度
图1：3D/PIL/2D异质结结构与聚合物表征
该组图像展示了新型交联聚合物中间层在3D/2D钙钛矿异质结中的构建过程及其化学特性。示意图清晰呈现了PIL通过配位键、氢键和范德华力与上下层钙钛矿形成稳固连接，其多功能骨架可同时实现缺陷饱和、能级调控和离子迁移抑制。傅里叶变换红外光谱中-CH=CH2信号减弱证实了PETTA与NVCZ单体的成功聚合，而原子力显微镜-红外联用技术显示PIL在钙钛矿表面形成连续均匀的覆盖层，且AFM-IR图像中FA+信号在3D/PIL/2D结构中显著减弱，表明PIL有效阻隔了有机阳离子的热诱导扩散。GIWAXS图谱在q=0.30和0.63 Å⁻¹处出现BA₂MAPb₂I₇的特征衍射峰，验证了2D钙钛矿层的成功构建。
图2：PIL与钙钛矿的相互作用及缺陷钝化机制
通过X射线光电子能谱和空间电荷限制电流测试，本研究揭示了PIL对钙钛矿表面缺陷的强效钝化作用。Pb 4f峰向低结合能位移及Pb⁰信号的消失证实PIL与Pb²⁺形成配位键，而SCLC曲线显示陷阱填充极限电压从0.241 V降至0.161 V，表明陷阱密度显著降低。共聚焦荧光图像中3D/PIL薄膜呈现更均匀的强荧光分布，印证了PIL的均匀钝化效果；开尔文探针力显微镜显示改性薄膜接触电势差分布更集中，表面电势波动减小，说明缺陷活性受到抑制。结合DFT计算，PIL对Pb空位和Pb替代I位缺陷的吸附能分别达-2.66 eV和-2.63 eV，进一步从理论上支持了其优异的化学钝化能力。
图3：能带结构与载流子传输动力学优化
紫外光电子能谱分析表明，PIL的引入显著调节了3D/2D异质结的能级对齐，将导带偏移量从0.32 eV优化至更小值，有效抑制了电子回流和少数载流子在界面的积累。稳态荧光光谱中3D/PIL/2D薄膜的荧光淬灭程度更高，时间分辨荧光寿命从167.18 ns缩短至58.29 ns，证明PIL增强了界面电子提取效率。瞬态吸收光谱显示改性异质结的载流子衰减速度减慢，表明缺陷介导的非辐射复合被抑制；莫特-肖特基测试中内置电势从0.894 V提升至0.974 V，且斜率增加，反映了缺陷密度降低和载流子分离驱动力增强。瞬态光电流/光电压测试进一步证实3D/PIL/2D器件的载流子传输时间缩短至3.61 μs，电压衰减寿命延长至0.27 μs，凸显了PIL对载流子复合损失的抑制效果。
图4：器件性能与叠层电池集成验证
宽禁带钙钛矿电池在PIL修饰后效率从19.61%提升至20.23%，开路电压达1.296 V，填充因子提高至83.77%，外量子效率积分电流与J-V测试结果高度吻合。基于该结构的全钙钛矿叠层电池实现了28.26%的冠军效率（认证效率27.29%），开路电压高达2.135 V，且正反扫偏差较小，稳态功率输出效率达27.59%。外量子效率曲线显示顶底子电池电流匹配良好（15.458/15.652 mA cm⁻²），43个器件的高重现性统计分布验证了工艺可靠性。稳定性测试中，叠层电池在氮气环境下连续运行450小时后仍保持85%的初始效率，而AFM-IR热老化实验表明PIL有效阻隔了FA⁺离子的热致迁移，揭示了其提升器件热稳定性的关键机制。
结论展望
本研究通过构建3D/PIL/2D钙钛矿异质结，成功实现了效率28.26%（认证27.29%）、开路电压2.151 V的全钙钛矿叠层太阳电池，突破了宽带隙钙钛矿子电池的电压损失瓶颈。该策略不仅通过聚合物中间层的多重功能化设计实现了缺陷钝化、能带调控与离子阻隔的协同提升，也为高效、稳定全钙钛矿叠层电池的界面工程提供了新思路。随着对3D/2D异质结界面机制的深入理解与大面积制备工艺的优化，全钙钛矿叠层技术有望在效率、稳定性与工艺兼容性之间实现更优平衡，推动其走向商业化应用。
文献来源
Liu, Z., Chang, B., Ma, S., Li, C., Wu, Y., Tong, X., Yu, C., Chen, Y., Yin, L., Organic Layer Bridged 3D/2D Perovskite Heterojunction for Efficient and Stable All-Perovskite Tandem Solar Cells. Advanced Materials, 2025.
DOI: 10.1002/adma.202512874
