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原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池中，非富勒烯受體（NFA）因近紅外吸收強、帶隙可調，成底部電池理想候選。其全薄膜結構超單薄膜極限，具操作穩定性，且可在柔性聚合物襯底上用卷對卷技術加工，輕便靈活，適合建筑、車載、無人機及消費電子等多領域。
關鍵問題
然而，鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的應用主要存在以下問題：
1、鈣鈦礦-有機疊詞太陽能電池功率轉換效率低
目前報道的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的認證效率仍然低于單結鈣鈦礦太陽能電池的認證效率，主要原因是有效的窄帶隙高分子材料有限，導致有機底部電池的光電流密度較低。
2、目前常用的受體材料帶隙對于串聯配置是次優的
常用的受體材料（如Y6）帶隙對于串聯配置次優，減小NFA帶隙的傳統方法會使最高占據分子軌道能級上升，造成受體和聚合物供體能級不匹配，進而影響激子解離效率和總體外量子效率。
新思路
有鑒于此，新加坡國立大學侯毅等人設計并合成了一種非對稱的非富勒烯受體(NFA)，P2EH-1V，具有單側共軛π橋，將光學帶隙降低至1.27?eV，同時保持理想的激子解離和納米形貌。瞬態吸收光譜證實了從P2EH-1V到給體PM6的有效空穴轉移。基于P2EH-1V的器件在不影響電荷產生效率的情況下，降低了0.20?e V的無輻射電壓損失。研究獲得了17.9 %的有機底部電池效率，其短路電流密度(Jsc)為28.60?mA?cm-2。此外，研究最大限度地減少了界面復合損失，使鈣鈦礦頂電池獲得了令人印象深刻的開路電壓(Voc) 1.37?V和填充因子(FF) 85.5 %。這些進展使得鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池在大于1?cm2的孔徑面積上達到了26.7 % (認證合格率為26.4 %)的記錄效率。
技術方案：
1、設計合成了單向擴展共軛的不對稱NFA P2EH-1V
本研究設計的P2EH-1V通過單向擴展共軛，光學帶隙1.27 eV，吸收紅移，HOMO能級適當降低，與PM6形成合適能級差，是鈣鈦礦-有機疊層電池底部電池的有希望的受體。
2、開發了單結WBG鈣鈦礦太陽能電池
研究開發Br-Ph-4PACz SAM，基于此SAM的單結WBG鈣鈦礦太陽能電池PCE達20.4%，Voc 1.37 V，FF 85.5%，穩定性顯著提升，T80延長至550小時。
3、制備了鈣鈦礦-有機串聯電池
研究表明鈣鈦礦-有機串聯電池優化后，PM6：P2EH - 1V基器件效率達27.5%，1.019 cm2和1 cm2器件效率分別達26.7%和26.4%，認證PCE超現有多種電池。
技術優勢：
1、設計并合成了新型非對稱NFA
本文設計并合成了P2EH-1V這種新的非對稱NFA，其單側共軛π橋結構將光學帶隙降低至1.27 eV，同時保持理想的激子解離和納米形貌，且與高效施主PM6有合適的能級差，確保有效激子分離。
2、顯著提升了鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的器件性能
基于P2EH - 1V的有機底部電池效率達17.9%，短路電流密度為28.60 mA/cm2，鈣鈦礦頂電池開路電壓1.37 V、填充因子85.5%，最終使鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池在大于1 cm2孔徑面積上達到26.7%的記錄效率。
技術細節
NFA設計和光伏性能
本研究設計了單向擴展共軛的不對稱NFA P2EH-1V，其光學帶隙1.27 eV，吸收紅移，相比P2EH，HOMO能級適當降低，保證激子解離驅動力，且與PM6形成合適的能級差。P2EH - 1V基有機太陽能電池光電轉換效率達17.9%，短路電流密度28.60 mA/cm2。其吸收峰紅移，相分離適中，有利于激子解離。飛秒瞬態吸收光譜證實從P2EH - 1V到PM6有有效空穴轉移。與P2EH相比，P2EH - 1V基器件能量損失降低0.05 eV，非輻射能量損失從0.26 eV減到0.20 eV。這些特性使P2EH-1V成為構建鈣鈦礦-有機疊層電池底部電池的有希望的受體。
圖 NFA設計和器件性能
圖 電荷動力學和能量損失分析
WBG鈣鈦礦子電池
為解決WBG鈣鈦礦電池電壓和填充因子（FF）損失問題，研究通過在咔唑上引入溴苯基取代甲基取代，開發了Br-Ph-4PACz自組裝單層（SAM）。Br原子降低功函數和HOMO能級，改善與WBG鈣鈦礦的能帶對準；苯環空間位阻抑制分子過度聚集，增強空穴傳輸層和鈣鈦礦生長均勻性。紫外光電子能譜、開爾文探針力顯微鏡、穩態光致發光測量等證實了Br-Ph-4PACz的優勢，其鈣鈦礦膜PL強度高、電壓損失低、光電流衰減壽命短、潤濕性能好、膜均勻性高。基于Br-Ph-4PACz的單結WBG鈣鈦礦太陽能電池冠軍光電轉換效率（PCE）達20.4%，具有1.37 V的高開路電壓（Voc）和85.5%的FF。在穩定性測試中，Br-Ph-4PACz基器件的T80達550小時，遠超Me-4PACz基器件的280小時，顯示出更好的MPP穩定性。
圖 單結WBG鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池
在優化鈣鈦礦和有機吸收層厚度后，作者制備了鈣鈦礦-有機串聯電池。PM6：P2EH-1V基器件效率達27.5%，Voc 2.14 V，Jsc 15.37 mA/cm2，FF 83.7%，這是目前報道的鈣鈦礦-有機疊層電池最高PCE。1.019 cm2活性面積的器件效率26.7%，1 cm2器件獲26.4%認證PCE，無滯后，最大點跟蹤效率26.5%。其認證PCE超現有多種電池。封裝的鈣鈦礦-有機疊層電池在85%相對濕度、1個太陽光LED照射下，783小時后保持初始效率80%，穩定性提升主要因前WBG鈣鈦礦層紫外線過濾效應。未來需抑制相分離、穩定形貌、開發堅固界面層以進一步提高穩定性。
圖 含有P2EH-1V和Br-Ph-4PACz的鈣鈦礦-有機串聯電池
展望
總之，本研究設計合成了非對稱NFA P2EH-1V，其單側共軛π橋使光學帶隙降至1.27 eV，保持良好激子解離和納米形貌。瞬態吸收光譜證實在不影響電荷產生效率下，基于P2EH-1V的器件降低0.20 eV無輻射電壓損失，有機底部電池效率達17.9%，短路電流密度28.60 mA/cm2。同時，鈣鈦礦頂電池開路電壓1.37 V、填充因子85.5%，使鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池在大于1 cm2孔徑面積上效率達26.7%，認證合格率26.4%。
參考文獻：
Jia, Z., Guo, X., Yin, X. et al. Efficient near-infrared harvesting in perovskite–organic tandem solar cells. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09181-x
