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全钙钛矿叠层太阳能电池为突破单结效率极限提供了一条有前景的途径，但宽带隙（WBG）子电池的性能仍受限于界面工程不足。特别是，自组装单分子层（SAMs）的分子取向和堆积方式会显著影响钙钛矿薄膜的形成和器件性能。

通讯作者：南京工业大学王芳芳&李仁志

在这里，作者合理设计了一系列基于咔唑的SAMs，并确定了一种双咔唑核心分子9, 9-DCz，与传统的平躺排列不同，它在氧化铟锡（ITO）上主要呈直立取向。这种垂直构型有助于在宽带隙钙钛矿层中实现更致密的表面覆盖、有利的能级排列以及减少非辐射复合。

因此，实现了宽带隙子电池（1.77 eV，0.0396 cm²）经认证的功率转换效率（PCE）为19.95%（最佳值为20.81%），全PSK叠层器件的效率为28.59%。我们的研究结果表明，直立的SAMs取向是高性能宽带隙和叠层钙钛矿光伏器件的有效设计原则。

图 1 (a) ITO 基底上自组装单分子层（SAM）平衡态的分子动力学（MD）模拟，展示其最终表面覆盖度。(b) 用于分析 SAM 二聚体分子间 π–π 堆积作用的密度泛函理论（DFT）计算模型。关键参数包括层间距与横向平移距离。(c) DFT 计算的完整钙钛矿 / SAM/ITO 界面处不同 SAM 的结合能（Eb）。(d) 不同 SAM 分子界面组装模拟示意图。

图 2 (a) 动态光散射（DLS）测得乙醇溶液中新配制与老化后分子的粒径分布。(b) X 射线反射率（XRR）数据，显示各 SAM 在 ITO 基底上的薄膜厚度，插图为实测厚度与理论分子高度对比示意图。(c) 开尔文探针力显微镜（KPFM）图像，表征不同 SAM 修饰 ITO 基底的表面电势（标尺：500 nm）。(d) 由 KPFM 图谱得到的表面接触电势差（CPD）直方图。(e) 由紫外光电子能谱（UPS）测得的能级排布图。(f) 循环伏安法（CV）计算的分子吸附密度。(g) X 射线光电子能谱（XPS），显示不同 SAM 修饰 ITO 基底的 In 3d 特征峰。

图 3 (a) 不同 SAM 上制备的钙钛矿埋底界面俯视扫描电镜（SEM）图。残留 PbI₂杂质以粉色虚线圆圈标出（标尺：300 nm）。(b) 基于不同 SAM 的钙钛矿埋底界面掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）图谱。(c) 基于不同 SAM 的钙钛矿埋底界面 KPFM 图像（标尺：500 nm）。(d) SAM 修饰基底上沉积的钙钛矿埋底薄膜 XPS 图谱：Pb 4f 高分辨谱。(e) 不同 SAM 上钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线。(f) 扩散寿命 τdiff 与光致发光强度对数 ln (ΦPL) 的关系曲线。(g) 基于 4PACz、5,7-IDCz、5,11-IDCz、9,9-DCz 的钙钛矿薄膜的空间电荷限制电流（SCLC）曲线。

图 4

宽带隙单结器件

(a) 宽带隙（WBG）单结钙钛矿太阳能电池（PSC）结构示意图。(b) 基于不同 SAM 的最优宽带隙器件的电流–电压（J–V）曲线。(c) 最优宽带隙器件的入射光子 - 电子转换效率（IPCE）及对应积分短路电流密度（JSC）曲线。(d) 宽带隙器件光电转换效率（PCE）统计分布（n = 30）。(e) 不同 SAM 上宽带隙钙钛矿薄膜的光致发光量子产率（PLQY）。(f) 对应计算的准费米能级分裂值（QFLS）。(g) 未封装宽带隙单结器件在氮气氛围、1 倍太阳光强下的最大功率点跟踪（MPPT）效率曲线。

全钙钛矿叠层器件

(h) 全钙钛矿叠层太阳能电池（TSC）结构示意图。(i) 全钙钛矿叠层电池截面 SEM 图（标尺：1 μm）。(j) 基于最优 9,9-DCz 的全钙钛矿叠层电池 J–V 曲线。(k) 对应外量子效率（EQE）光谱。(l) 不同 SAM 修饰的叠层电池 PCE 统计分布（n = 25）。(m) 最优 9,9-DCz 叠层器件的准稳态输出（SPO）效率。(n) 对照组与 9,9-DCz 基未封装叠层器件在手套箱内 1 倍太阳光持续照射、最大功率点跟踪条件下的长期运行稳定性对比。

器件制备

宽带隙（FA₀.₈Cs₀.₂PbI₁.₈Br₁.₂）钙钛矿溶液配制

将 221.3 mg PbI₂、264.2 mg PbBr₂、165.1 mg FAI、62.4 mg CsI 溶于 1 mL DMF/DMSO 混合溶剂（体积比 4:1）中，配制 1.2 M 钙钛矿前驱液。将前驱液置于磁力搅拌器上，室温搅拌过夜。最后用 0.22 μm 聚四氟乙烯（PTFE）滤头过滤，得到待用溶液。

窄带隙（Cs₀.₁MA₀.₂FA₀.₇Sn₀.₅Pb₀.₅I₃）钙钛矿溶液配制

将 367.27 mg PbI₂、298.73 mg SnI₂、169.91 mg FAI、83.88 mg MAI、50.3 mg CsI、17.14 mg SnF₂ 及 4.325 mg NH₄SCN 溶于 1 mL DMF/DMSO 混合溶剂（体积比 4:1）中，配制 1.2 M 钙钛矿前驱液。将前驱液置于磁力搅拌器上，室温搅拌过夜。最后用 0.22 μm PTFE 滤头过滤，得到待用溶液。

 宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG PSCs）制备

将自组装单分子层（SAM）溶于无水乙醇，配制成 0.5 mg·mL⁻¹ 的溶液。随后在室温、空气氛围下磁力搅拌 3 h 以上，确保分子完全溶解并均匀分散。所用 ITO 基底依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇分别超声清洗 20 min，使用前用氮气吹干，并经紫外臭氧处理 15 min。将预先配制的 SAM 溶液以 3000 rpm 旋涂 30 s 沉积在预处理后的 ITO 基底上，随后 100 ℃ 退火 10 min。

宽带隙钙钛矿溶液采用两步旋涂工艺：先 1000 rpm 旋涂 10 s，再 4000 rpm 旋涂 40 s。旋涂至第 20 s 时，快速滴加 150 μL 氯苯（CB）。旋涂完成后，薄膜在 100 ℃ 退火 10 min。

退火后，将界面钝化混合液（EDAI₂ 0.5 mg/mL、PEAI 1 mg/mL 溶于异丙醇 IPA）以 4000 rpm 旋涂 20 s，并在 90 ℃ 退火 5 min。最后通过热蒸镀依次沉积 C₆₀（20 nm）、BCP（7 nm）和 Ag（90 nm），完成器件制备。

窄带隙钙钛矿太阳能电池（NBG PSCs）制备

ITO 基底依次用洗涤剂、去离子水、乙醇分别超声清洗 20 min，使用前用氮气吹干并经紫外臭氧处理 15 min。将 PEDOT:PSS 水溶液以 4000 rpm 旋涂 30 s 沉积在清洗后的基底上，150 ℃ 退火 10 min。

窄带隙钙钛矿溶液采用两步旋涂：先 1000 rpm 旋涂 10 s，再 4000 rpm 旋涂 40 s。旋涂第 20 s 时滴加 300 μL 氯苯。退火后，以 EDAI₂（0.5 mg/mL 溶于 IPA）作为界面钝化层，4000 rpm 旋涂 30 s，并在 90 ℃ 退火 5 min。最后热蒸镀 C₆₀（20 nm）、BCP（7 nm）和 Ag（90 nm），完成器件。

全钙钛矿叠层太阳能电池（TSCs）制备

底电池（窄带隙子电池）的制备流程与宽带隙 PSC 一致，直至热蒸镀 BCP 之前。随后通过原子层沉积（ALD）沉积 20 nm SnO₂，再热蒸镀 1 nm Au 作为复合层。之后依次制备 PEDOT:PSS、窄带隙钙钛矿、EDAI₂、C₆₀、BCP 及 Ag 电极，工艺与窄带隙 PSC 完全相同。

原文：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202521898?saml_referrer=

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