景行
一、【科学背景】
反式（p-i-n结构）钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借固有稳定性及与叠层结构的兼容性，成为钙钛矿光伏商业化的核心技术路线，经晶体调控、界面工程与缺陷钝化等突破，其认证功率转换效率（PCE）已达26.54%，可媲美传统n-i-p结构。其中，FA1-xCsxPbI3钙钛矿（FA为甲脒）因近理想带隙具备显著效率提升潜力，但溶液制备中易出现结晶失控问题——无序的成核与生长会导致晶粒取向混乱，进而损害电荷传输性能与稳定性，获取高质量钙钛矿薄膜仍是关键挑战。现有调控策略存在局限：DMSO、MACl等单添加剂虽能调节结晶动力学，却可能在退火时引入孔洞或次生相；缺陷钝化分子常难以对齐晶体生长或实现均匀分布，且当前研究多聚焦单添加剂的单一作用机制，利用双添加剂分子间相互作用及与钙钛矿的多类型作用精准调控晶向的方案尚未充分探索，FA1-xCsxPbI3取向形成机制也需进一步厘清，因此亟需能同步调控成核、取向与缺陷的整体策略。
二、【创新成果】
近日，华中科技大学陈炜、刘宗豪团队联合北京工业大学卢岳及深圳职业技术大学李竞白等人聚焦反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）结晶失控难题，提出萘铵盐（BNAC）与萘磺酸盐（PHNS）双分子调控策略。通过两者萘环的紧密芳香堆叠作用，结合PHNS与Pb2+的配位、BNAC对FA+空位的填充，使得FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿沿（100）面外取向生长，同时强化缺陷钝化。所制反式PSCs单结器件效率达27.02%（第三方认证26.88%），封装后在环境气氛中经2000小时最大功率点跟踪仍保留98.2%初始效率；11.09 cm2迷你器件获23.18%稳态认证效率；全钙钛矿叠层电池认证效率达29.07%。该策略突破传统单添加剂局限，实现结晶调控与缺陷抑制协同优化，为钙钛矿光伏效率提升及规模化应用提供关键方案。
图1钙钛矿晶体结构与取向。（a、b）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱；（c、d）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的截面高分辨透射电镜（HR-TEM）图像，绿色虚线框标注钙钛矿薄膜的晶界；（e、f）从对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜截面HR-TEM图像不同位置提取的纳米束衍射（NBD）图谱；（g、i）从对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜中提取的放大截面TEM图像，（h、j）对照组和PHNS+BNAC修饰组中绿色框标注不同位置的高倍率HR-TEM图像；（k、l）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的微观应变分布。© 2025 Springer Nature
图2钙钛矿晶体生长机制。（a、d）从GIWAXS图谱中提取的对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿（100）晶面沿方位角的积分强度曲线；（b、e）对照组（角向上生长）和PHNS+BNAC修饰组（面向上生长）钙钛矿相对于氧化铟锡（ITO）衬底的取向示意图；（c、f）对照组（无序结晶）和PHNS+BNAC修饰组（有序结晶）钙钛矿晶体堆叠的示意图；（g）PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的截面HR-TEM图像；（h、i）PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的SL2 L3和ClL2 L3电子能量损失谱（EELS）；（j）2个PHNS分子+BNAC分子/钙钛矿体系的优化晶胞结构。© 2025 Springer Nature
作者通过GIWAXS、HR-TEM、NBD等表征，对比对照组与PHNS+BNAC修饰组：对照组钙钛矿取向随机，晶粒边界不规则；修饰组（100）面外取向显著（取向因子-0.110，提升10倍），GIWAXS显示90°方位角（100）峰突出，HR-TEM可见规整贯穿晶界，NBD验证全晶粒（100）取向一致，且薄膜微观应变更均匀。作者进一步揭示了钙钛矿生长机制：对照组为角向上生长，结晶无序；修饰组因PHNS与BNAC萘环形成芳香堆叠（NOESY证实间距~4 Å），呈面向上生长，双分子在晶界富集（EELS、AFM-IR验证）。理论计算显示双分子与PbI₂结合能达-1.98 eV（远高于FAI与PbI2的-1.09 eV），原位GIWAXS和PL表明其促进α相形成、延缓结晶，助力高质量有序晶体生长。
图3钙钛矿薄膜的光电性能。（a、b）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜在260-660 nm激发波长下的稳态光致发光（PL）光谱；（c）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）曲线；（d、e）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的TRPL映射图；（f）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的光致发光量子产率（PLQY）；（g、h）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的开尔文探针力显微镜（KPFM）图像；（i）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿薄膜的能级图。© 2025 Springer Nature
图4器件的光伏性能。（a）对照组和PHNS+BNAC修饰组钙钛矿太阳能电池（PSCs）在正向扫描和反向扫描下的电流密度–电压（J-V）曲线；（b）对照组和PHNS+BNAC修饰组反式PSCs的功率转换效率（PCE）统计结果；（c）本研究中PSCs的光伏性能与其他已报道的钙钛矿结晶生长及质量相关研究的对比；（d）11.09 cm²的最佳器件在正向扫描和反向扫描下的J-V曲线；（e）封装后的FA0.95Cs0.05PbI3 PSCs（对照组和PHNS+BNAC修饰组）经连续1倍太阳等效白光LED照射并采用最大功率点跟踪（MPPT）时，归一化PCE随时间的变化曲线；（f）最佳PHNS+BNAC修饰组全钙钛矿叠层太阳能电池在正向扫描和反向扫描下的J-V曲线；（g）PHNS+BNAC修饰组叠层器件中宽带隙（WBG）子电池和窄带隙（NBG）子电池的外量子效率（EQE）光谱。© 2023 Springer Nature
对比对照组与PHNS+BNAC修饰组，修饰组PL强度最高，PLQY从对照组0.69%提升至7.78%，TRPL寿命最长，证明非辐射复合减少、缺陷钝化更优；共聚焦PL/TRPL映射图谱显示修饰组发光均匀、载流子寿命分布均一；KPFM表明修饰组表面电势更平整，费米能级向导带偏移0.34 eV，优化能级匹配以促进电子提取，且缺陷密度经表征为最低。器件光伏性能显示，单结反式PSCs修饰组PCE达27.02%（认证26.88%），J-V曲线显示效率、Jsc、Voc、FF均提升，EQE积分Jsc与J-V结果一致；11.09 cm2器件认证稳态效率23.18%；全钙钛矿叠层电池认证的PCE为29.07%。稳定性上，修饰组封装器件2000小时MPPT效率保留98.2%，85℃/85%RH下600小时保留95.9%，显著优于对照组。
该研究实现了一种高性能反式钙钛矿太阳能电池，以“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”为题发表在国际顶级期刊Nature Energy上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，本文通过PHNS与BNAC双分子芳香相互作用，精准调控FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿结晶，实现（100）面外取向生长，同时强化缺陷钝化，使反式PSCs单结认证效率达26.88%，封装器件2000小时MPPT效率保留98.2%；11.09 cm2全钙钛矿叠层电池认证效率分别为23.18%、29.07%，突破传统单添加剂局限，兼顾效率与稳定性。
未来，可将双分子策略拓展至无铅钙钛矿等体系，进一步优化分子结构以适配更多钙钛矿组成；针对规模化应用，需改进狭缝涂布等工艺，解决大面积薄膜均匀性问题；还可深化芳香相互作用与晶体生长的定量关系研究，并结合更稳定电荷传输层，持续提升器件寿命，助力反式PSCs商业化进程。
原文详情：Zhou, Q., Huang, G., Wang, J. et al. Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01882-x
本文由景行撰稿
