一、研究背景與挑戰(zhàn)

倒置結(jié)構(gòu)（p-i-n 架構(gòu)）的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其優(yōu)異的內(nèi)在穩(wěn)定性及與疊層電池架構(gòu)的兼容性，已成為光伏商業(yè)化具前景的技術(shù)路線之一。在鈣鈦礦組合物中，FA(1-x)Cs(x)PbI3因其接近理想的帶隙，具備進(jìn)一步提升效率的潛力。然而，在溶液制程中，晶體成核、生長(zhǎng)及結(jié)晶過程的不受控，往往導(dǎo)致晶體取向紊亂，影響載子傳輸與組件穩(wěn)定性，成為組件性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

科研人員普遍認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜優(yōu)選的（100）外平面取向是提升光電性能的有效途徑。此種取向能使（100）晶面平行于基板排列，從而賦予薄膜優(yōu)異的載子傳輸特性并降低缺陷密度。過去的研究多集中于單一添加劑與單一作用機(jī)制。

由華中科技大學(xué)的陳煒教授與劉宗豪教授，聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)的盧岳教授及深圳技術(shù)大學(xué)的 Jingbai Li 教授等學(xué)者合作的團(tuán)隊(duì)，將其研究成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然-能源》（Nature Energy）。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中 FA(1-x)Cs(x)PbI3 薄膜結(jié)晶取向紊亂的問題，采用雙分子設(shè)計(jì)策略。該策略涉及在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入 6-羥基-2-萘磺酸鉀（PHNS）與 6-溴萘-2-胺鹽酸鹽（BNAC），并利用這兩種添加劑中萘結(jié)構(gòu)單元間緊密的芳香族堆棧，精確調(diào)控鈣鈦礦的成核與生長(zhǎng)過程。此方法達(dá)成了強(qiáng)制晶體沿（100）外平面取向有序結(jié)晶，同時(shí)提升缺陷鈍化的雙重優(yōu)化效果，從而實(shí)現(xiàn)了高效率與高穩(wěn)定性的倒置PSCs。（圖 2）

二、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）表征與載子動(dòng)力學(xué)解析

為了量化 PHNS+BNAC 雙分子系統(tǒng)對(duì)非輻射復(fù)合損失的抑制程度，研究團(tuán)隊(duì)采用光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測(cè)量進(jìn)行了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）的直接表征。QFLS是評(píng)估光電材料非輻射復(fù)合程度的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)值與組件的開路電壓（VOC）增益直接相關(guān)。

QFLS測(cè)量方法與數(shù)據(jù)

研究人員透過穩(wěn)態(tài)PL測(cè)量與PLQY測(cè)量，對(duì)比了未添加（Control）、單獨(dú)添加 PHNS 以及雙分子 PHNS+BNAC 處理的鈣鈦礦薄膜的光電特性。

·        QFLS增益：根據(jù) PLQY 數(shù)據(jù)與 QFLS 的關(guān)聯(lián)性，研究人員計(jì)算了 QFLS 的提升值（ΔQFLS）。PHNS 單獨(dú)添加相較于對(duì)照組的 QFLS 增益為 31.6 meV；而 PHNS+BNAC 雙分子系統(tǒng)相較于對(duì)照組的 QFLS 增益達(dá)到 62.3 meV。此 QFLS 增強(qiáng)直接歸因于非輻射復(fù)合的有效抑制。（圖 S39）

·        缺陷抑制的量化：PLQY的結(jié)果顯示，與對(duì)照組薄膜的 0.69% 相比，PHNS單獨(dú)處理組的 PLQY 提升至 2.36%。PHNS+BNAC 雙分子處理組的 PLQY 高達(dá) 7.78%。（圖3f）

·        載子動(dòng)力學(xué)分析：時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）測(cè)量進(jìn)一步印證了載子動(dòng)力學(xué)的改善。PHNS+BNAC 處理的樣品展現(xiàn)出最長(zhǎng)的 PL 壽命（平均壽命 τave 達(dá)到 1268.45 ns，對(duì)照組為 440.86 ns），強(qiáng)調(diào)了雙分子添加劑所帶來的缺陷鈍化和晶體質(zhì)量。（圖 3c）

·        共焦 PL 和 TRPL 映射：結(jié)果顯示，PHNS+BNAC 薄膜具有高且最均勻的 PL 發(fā)射強(qiáng)度和載子壽命分布，證實(shí)了薄膜內(nèi)部非輻射復(fù)合得到了廣泛抑制。（圖 3d.e）

研究精確量化了 PHNS+BNAC 策略帶來的 QFLS 增益和 PLQY 提升，以驗(yàn)證非輻射復(fù)合的抑制效果。Enlitech QFLS-Maper 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂檢測(cè)儀，正是精準(zhǔn)表征的理想工具。它能快速3 秒內(nèi)生成 QFLS 圖像，直觀呈現(xiàn)材料質(zhì)量分布；更能在 2 分鐘內(nèi)測(cè)量 Pseudo J-V 曲線，助您快速預(yù)測(cè)材料的VOC潛力和效率極限，高效解析載子動(dòng)力學(xué)問題。

·        缺陷密度驗(yàn)證：驅(qū)動(dòng)電平電容分析（DLCP）直接證明了 PHNS+BNAC 處理的 PSCs 具有低的缺陷密度。（圖 S30）

QFLS將結(jié)晶取向優(yōu)化和缺陷鈍化這兩種機(jī)制所帶來的優(yōu)勢(shì)，直接轉(zhuǎn)化為潛在的 VOC 提升，為高效能太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。高 QFLS 值（7.78% PLQY）是該材料體系非輻射損失極低、趨近理想半導(dǎo)體質(zhì)量的直接證據(jù)。

三、結(jié)論與研究成果

此研究展示了一種利用 PHNS 和 BNAC 之間芳香族相互作用實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高穩(wěn)定性鈣鈦礦薄膜的雙分子策略。這種分子工程不僅促進(jìn)了沿（100）晶面的有序結(jié)晶，還通過增強(qiáng)與空位及晶界缺陷的錨定作用，強(qiáng)化了缺陷鈍化。

核心貢獻(xiàn)與成果摘要：

1.     效率突破：經(jīng) PHNS+BNAC 處理的倒置 PSCs，實(shí)現(xiàn)了 27.02% 的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），并經(jīng)機(jī)構(gòu)認(rèn)證達(dá)到 26.88%，躋身單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的水平。（圖 4a.c、圖 S49）

2.     穩(wěn)定性優(yōu)異：封裝組件在環(huán)境空氣中、連續(xù)光照（1-Sun）下的功率點(diǎn)追蹤（MPPT）操作穩(wěn)定性測(cè)試中，經(jīng)過 2,000 小時(shí)后仍保持其初始效率的 98.2%。（圖 4e）

3.     QFLS的核心作用：準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）的增益（相較于對(duì)照組提升 62.3 meV），直接量化了 PHNS+BNAC 系統(tǒng)對(duì)非輻射復(fù)合的強(qiáng)效抑制，為器件 VOC 的提升奠定了基礎(chǔ)。

4.     規(guī)模化應(yīng)用潛力：該策略展現(xiàn)出良好的可擴(kuò)展性，倒置微型模塊（孔徑面積 11.09 cm2）實(shí)現(xiàn)了 23.18% 的穩(wěn)定態(tài)認(rèn)證效率。此外，全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池亦獲得 29.07% 的認(rèn)證 PCE。（圖 4、圖 S60）

文獻(xiàn)參考自nature energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01882-x

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