结晶调控与通用缺陷钝化协同提升宽带隙钙钛矿/有机叠层光伏性能

《Nature Communications》：Crystallization modulation for wide-bandgap perovskites with universal defect passivation toward efficient perovskite/organic tandem photovoltaics

针对宽带隙(WBG)钙钛矿相异质性和缺陷导致钙钛矿/有机叠层太阳能电池(TSCs)性能受限的难题，研究人员通过设计多功能添加剂DL-蛋氨酸甲基硫鎓氯化物(MMSC)，实现了对1.83 eV-WBG钙钛矿结晶热力学的精准调控和通用缺陷钝化。该策略使单结WBG钙钛矿太阳能电池(PSCs)效率提升至20.4%，刚性/柔性叠层器件效率分别达26.0%和22.1，为柔性光伏应用开辟了新途径。

　　

随着全球能源转型的加速，太阳能电池技术正迎来革命性突破。传统单结太阳能电池受限于 Shockley-Queisser 理论效率极限，而叠层太阳能电池(Tandem Solar Cells, TSCs)通过组合不同带隙的吸收层，可实现对太阳光谱的全方位利用，成为突破效率瓶颈的关键路径。其中，宽带隙(Wide-Bandgap, WBG)钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)与窄带隙有机太阳能电池(Organic Solar Cells, OSCs)的组合，因其溶液加工性和柔性潜力而备受关注。然而，当钙钛矿带隙超过1.8 eV时，复杂的组分容易引发相异质化和缺陷形成，导致严重的非辐射复合和相分离，最终制约了叠层器件性能的提升。

针对这一挑战，武汉理工大学卜童乐教授团队在《Nature Communications》发表的最新研究中，提出了一种基于多功能添加剂DL-蛋氨酸甲基硫鎓氯化物(DL-methionine methylsulfonium chloride, MMSC)的协同调控策略。该添加剂通过独特的分子设计，同时实现对钙钛矿结晶热力学的调控和通用缺陷的钝化，显著提升了WBG钙钛矿薄膜的质量和器件性能。

研究人员主要采用结晶动力学表征（原位光致发光测试）、材料表征技术（扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射、掠入射广角X射线散射、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、核磁共振）、光电性能测试（空间电荷限制电流、光致发光量子产率、时间分辨光致发光映射、紫外光电子能谱）、器件制备与测试（电流密度-电压曲线、外量子效率、最大功率点跟踪）以及密度泛函理论计算等关键技术方法，系统评估了MMSC添加剂对WBG钙钛矿薄膜结晶过程、缺陷态、相稳定性和器件性能的影响。

结晶过程的相均质化调控

通过原位PL监测发现，对照组在旋涂过程中出现Br富集相的快速成核，而MMSC修饰组直接形成目标组分的钙钛矿，表明添加剂促进了均质成核。SEM和AFM结果显示，修饰后的薄膜具有更均匀的晶粒尺寸分布和更低的表面粗糙度，证明MMSC诱导的均质成核确保了均匀的生长动力学。

晶体学性质与相互作用变化

GIWAXS分析表明MMSC修饰提高了钙钛矿的结晶度，并减轻了残余应力。DFT计算和实验表征（¹H NMR、FTIR、XPS）证实了MMSC与钙钛矿各组分的强相互作用，包括MMS⁺与[PbX₆]^4-八面体的静电相互作用，以及氨基、羧基与FA⁺的氢键作用。

增强的光电性能与相稳定性

DFT计算显示MMSC显著提高了10种常见缺陷的形成能，实现了通用缺陷钝化。SCLC测试表明陷阱密度从5.83×10¹⁶cm^-3降至4.40×10¹⁶cm^-3。PLQY从0.395%提升至0.797%，准费米能级分裂从1.401 eV增加至1.419 eV。TRPL mapping显示MMSC修饰使载流子寿命在薄膜各处均匀增加。光照稳定性测试表明，修饰后的薄膜相分离被显著抑制。

单结WBG PSCs的性能

基于MMSC修饰的刚性单结WBG PSCs实现了20.4%的冠军效率（稳态输出19.7%），显著高于对照组（19.2%）。器件在氮气环境中储存1000小时后仍保持96%的初始效率，最大功率点跟踪下T₈₀寿命超过830小时。柔性器件冠军效率达18.0%，并表现出优异的耐弯曲性能。

钙钛矿/有机叠层太阳能电池的性能

刚性叠层器件冠军效率达26.0%（稳态输出25.8%），柔性叠层器件冠军效率为22.1%。MMSC修饰显著提升了叠层器件的长期稳定性和弯曲稳定性。

该研究通过分子设计实现了对WBG钙钛矿结晶过程和缺陷态的双重调控。MMSC添加剂通过促进均质成核和均匀生长，获得了高质量钙钛矿薄膜；其多功能基团协同作用实现了通用缺陷钝化，有效抑制了非辐射复合和离子迁移。最终，单结和叠层器件在刚性/柔性基底上均实现了卓越的光电转换效率和稳定性。这项工作不仅为高效WBG钙钛矿的制备提供了新思路，更推动了柔性钙钛矿/有机叠层光伏技术的商业化进程。