文章介绍
柔性全钙钛矿叠层太阳能电池（TSC）有望为便携和航空航天应用提供轻量化电源，但其性能仍受限于窄带隙（NBG）子电池中的界面损耗，尤其是源自聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的损失。
基于此，瑞士联邦材料科学与技术实验室Fu Fan等人首次揭示PEDOT:PSS薄膜中存在一种此前未被认识的垂直相分离现象：绝缘的PSS富集表层覆盖在导电的PEDOT富集基底之上。该结构诱导界面电偶极子，阻碍空穴的高效提取。研究表明，引入Triton X-100可通过调控聚合物相互作用打破这种相分离，从而抑制表面偶极子的形成。采用该修饰界面的NBG钙钛矿电池表现出性能与可重复性的同步提升。该策略使柔性TSC实现25.4%的光电转换效率（PCE），一个概念验证的柔性叠层太阳能迷你组件效率达19.7%，理论建模预测组件效率有望突破24%。这些结果深入阐明了PEDOT:PSS界面现象，并为下一代柔性钙钛矿叠层器件的界面优化提供了设计准则。该论文近期以“Tailored PEDOT:PSS phase segregation for high-efficiency flexible all-perovskite tandem solar cells and mini-modules”为题发表在顶级期刊Nature Communications上。
图文信息
图1：窄带隙（NBG）钙钛矿太阳能电池（PSC）与柔性叠层器件面临的挑战。(a–d) 基于50个NBG PSC的统计箱线图，展示光伏参数分布（VOC：开路电压；JSC：短路电流密度；FF：填充因子；PCE：光电转换效率）。(e)示意图展示将PEDOT:PSS分散液旋涂到柔性宽带隙（WBG）电池上的过程，以及失效样品照片；未涂覆PEDOT:PSS的区域用绿色虚线标出，溶解区域用白色虚线标出。(f) 17个柔性TSC的PCE直方图，并用高斯函数拟合（实线）。
图2：Triton X-100 的作用。(a) PEDOT:PSS 与 Triton X-100 的化学结构。(b) PEDOT:PSS 在玻璃/ITO基底上不含与含Triton X-100时的接触角。(c) 在不含与含Triton X-100的 PEDOT:PSS 上生长的钙钛矿表面SEM图。比例尺1 μm。(d) 对应截面SEM图。比例尺 500 nm。(e) 钙钛矿薄膜分别沉积在裸玻璃、不含/含Triton X-100 的PEDOT:PSS以及 ITO/PEDOT:PSS（不含/含 Triton X-100）上的时间分辨光致发光谱。(f) 冠军 NBG PSC 的 J–V 曲线，插表给出 VOC、JSC、FF、PCE。(g) 基于含 Triton X-100 PEDOT:PSS 的 NBG PSC 的EQE谱及积分JSC；积分得JSC=30.2 mA cm⁻²。(h) NBG PSC 在充氮手套箱中的暗态存储稳定性；PCE 以 mean±s.d.表示（n=8）。
图3：PEDOT:PSS 中片段分布。(a–b) 不含与含Triton X-100 的PEDOT:PSS/ITO玻璃的 ToF–SIMS深度剖析：C₂H₄O、S、InO 信号。(c–d) 表面 XPS S 2p谱，用对称/非对称 Gauss–Lorentz 函数分峰：PSS（170–166 eV，红渐变）与EDOT 噻吩（166–161 eV，藏青渐变）。(e) 原始 PEDOT:PSS 薄膜 S 2p的XPS深度剖析；(f) 含Triton X-100样品对应结果；PSS 与 PEDOT 峰以白色虚线分隔。
图4：双层 PEDOT:PSS 形成示意及器件性能。(a) 参比PEDOT:PSS成膜示意；(b)对应NBG PSC的PCE统计（50片）。(c) 含 Triton X-100 PEDOT:PSS 成膜示意；(d) 对应PCE统计（65片）。(e) 对参比膜进行后处理：水洗或 Triton X-100 溶液洗。(f) 水洗后 PCE 统计（23 片）；(g) Triton X-100洗后PCE统计（52 片）。(h) 参比膜表面可能形成的电偶极示意；(i) Triton X-100 降低偶极示意。(b, d, f, g) 中横条表示 25–75 百分位、均值及最小/最大值，分布以高斯函数拟合（实线）。
图5：柔性全钙钛矿叠层电池与迷你组件。(a)柔性TSC的FIB-SEM截面图；比例尺350 nm。(b) 冠军器件 J–V 曲线；插图为 17 片参比与 15 片含Triton X-100 柔性 TSC 的 PCE 箱线图。(c) 2T 全钙钛矿 TSC 的PCE 进展（含本工作与审稿同期文献）。(d) 激光划线实现子电池互连的叠层迷你组件示意图；ALD：原子层沉积；NBG：窄带隙；WBG：宽带隙；ITO：氧化铟锡；PEN：聚萘二甲酸乙二醇酯。(e) 光学显微镜下 P1–P2–P3 互连划线。(f) 冠军柔性叠层迷你组件 J–V 曲线，插图附器件照片；参数：VOC、JSC、FF、GFF（几何填充因子）。(g) 未优化迷你组件的损耗分析；(h) 优化后迷你组件（Laoss, Fluxim）。(i) 基于优化子电池宽度与死区、采用Laoss（Fluxim）模拟的10 cm×10 cm柔性叠层组件 PCE 潜力。
总之，作者等人系统研究了PEDOT:PSS在高性能NBG钙钛矿太阳能电池及柔性全钙钛矿叠层器件中的本征特性与局限。研究表明，超薄PEDOT:PSS 薄膜会自发形成垂直相分离的双层结构：绝缘的 PSS 富集表层覆盖在导电的 PEDOT 富集基底之上。该垂直相分离在 PEDOT:PSS–钙钛矿界面引入局域电偶极子，显著阻碍空穴提取。通过在 PEDOT:PSS 分散液中引入非离子表面活性剂 Triton X-100，抑制了表面 PSS 的富集，从而削弱偶极子导致的提取势垒，使器件效率与重现性大幅提升。采用该策略，柔性叠层电池实现了25.4%的高光电转换效率。进一步地，通过仿真指导的工艺优化解决柔性基底激光划线难题，制备出效率达19.7%的柔性全钙钛矿叠层迷你组件，并预测经优化的10 cm×10 cm 组件布局可获得超过24%的效率。本研究深入阐明了 PEDOT:PSS 界面现象，为柔性全钙钛矿叠层光伏技术的发展确立了关键准则。
器件制备
器件结构：
NBG PSC：
ITO/PEDOT:PSS/NBG PVK/EDAI2/C60/BCP/Cu
1.洗干净的ITO玻璃，紫外臭氧处理 30 min；按所需质量比向 PEDOT:PSS 分散液中加入 Triton X-100，0.45 µm PVDF过滤，4000rpm 50s旋涂，140 °C退火20 min；
2. 1.8 M Cs₀.₁FA₀.₆MA₀.₃Sn₀.₅Pb₀.₅I₃(NH₄SCN (5.46 mg)、GlyHCl (8.03 mg)、SnF₂ (28.21 mg)、CsI (93.53 mg)、FAI (371.46 mg)、MAI (171.69 mg)、SnI₂ (670.53 mg)、PbI₂ (829.81 mg) )溶于 DMF (1500 µL) 与 DMSO (500 µL) 混合溶剂，摩尔比为0.036:0.036:0.09:0.18:1.08:0.54:0.9:0.9。使用前经0.22 µm PTFE 滤头过滤，1000 rpm 10 s+4000 rpm 40 s，第二步 20 s时400 µL CB反相，100 °C退火10 min，再 65 °C退火5 min；
3. 1.0 mg EDAI₂溶于 1.0 mL IPA 与 1.0 mL 甲苯，搅拌过夜后 0.22 µm PTFE 过滤，4000 rpm 20 s旋涂，100 °C退火2 min；
4. 蒸发 C60 (23 nm)、BCP (7 nm)、Cu (100 nm) 完成器件。
WBG PSC：
ITO/SAM/WBG PVK/TEACl/PCBM/SnOx/Cu
1. 洗干净的ITO玻璃或PEN/ITO基底，紫外臭氧处理 30 min；4PADCB 前驱液（0.3 mg mL⁻¹，乙醇，40 °C 预热）滴加后静置 30 s，3000rpm 30s旋涂，100 °C退火2 min；
2. 1.2 M Cs₀.₁₂FA₀.₈MA₀.₀₈PbI₁.₈Br₁.₂（MABr (21.50 mg)、CsI (74.83 mg)、FABr (95.98 mg)、FAI (198.11 mg)、PbBr₂ (352.33 mg)、PbI₂ (663.85 mg)）溶于 DMF (1600 µL) + DMSO (400 µL)，摩尔比0.08:0.12:0.32:0.48:0.4:0.6。使用前 0.22 µm PTFE 过滤，2000rpm 10s+6000rpm 40s旋涂，第二步 20 s时滴加300 µL CB反相，60 °C 退火2 min，100 °C退火7 min；3. TEACl/IPA 溶液（0.5 mg mL⁻¹）3000rpm 30s旋涂，100 °C退火3 min；
4.PCBM：20 mg mL⁻¹CF，0.22 µm PTFE 过滤后 3000 rpm 50s旋涂，100 °C退火5 min；
5. ALD 20 nm SnOₓ；
6. 蒸镀 Cu 100 nm。
TSC：
ITO/4PADCB/WBG PVK/PCBM/SnOx/Au/PEDOT:PSS/NBG perovskite/C60/SnOx/Cu
柔性 WBG 子电池的所有工序一直进行到 ALD-SnOₓ，溅射 100 nm IZO 中间层； PEDOT:PSS与IPA 按体积比1:1 稀释，4000 rpm 旋涂 50 s，空气中 100 °C 退火 5 min。后续步骤与 NBG PSC 完全相同。
文章信息
Lai, H., Zhu, J., Kuo, RT. et al. Tailored PEDOT:PSS phase segregation for high-efficiency flexible all-perovskite tandem solar cells and mini-modules. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66479-0DOI:10.1038/s41467-025-66479-0
