钙钛矿电池加“料”了：效率飙到28%，用1000小时还很顶

*本文只做阅读笔记分享*

一、引言与研究背景

大家好，今天我们来聊聊全钙钛矿串联太阳能电池的新突破。在太阳能电池领域，串联电池是突破单结电池效率极限的关键技术，而宽禁带钙钛矿作为顶层电池的光活性层，起着至关重要的作用。

但宽禁带钙钛矿有个大问题： 内在不稳定性。这主要是因为多种离子迁移导致空位缺陷，比如卤素离子（I⁻、Br⁻）在光照下容易迁移，形成富溴和富碘区域，这些区域缺陷多，会降低电池性能。

为了解决这个问题，研究团队提出了一种超分子策略：在钙钛矿中加入醚环超分子（比如 DB30C10）。这种分子能调节卤素与一价阳离子、铅离子的配位，从而控制结晶动力学，抑制光照下的卤素偏析。最终，优化后的 1.77 eV 钙钛矿电池效率达到 21.01%，稳定性也大幅提升 ——1000 小时最大功率点跟踪后仍保留 95% 的初始效率，而全钙钛矿串联电池效率更是达到 28.44%（认证 27.92%）。

二、超分子调控机制

接下来我们看看 DB30C10 是如何发挥作用的。首先是分子选择：研究团队测试了多种冠醚（如 DB18C6、DB21C7 等），通过密度泛函理论（DFT）计算发现，DB30C10 与 FA⁺、Cs⁺、Pb²⁺的吸附能最强，能更稳定地形成配合物，因此被选为最优添加剂。

其核心机制有三点：一是 DB30C10 的富氧大环与 A 位阳离子（FA⁺、Cs⁺）和 B 位 Pb²⁺配位，形成带正电的位点，吸引带负电的卤素离子，抑制其迁移；二是氧原子与卤素通过偶极 - 离子相互作用平衡电荷排斥，稳定晶格；三是分子间范德华力进一步固定卤素位置，阻止相分离。

实验数据也证实了这一点：原位光致发光（PL）测试显示，对照组在 532nm 激光照射 15 分钟后 PL 峰红移（说明相分离），而 DB30C10 修饰组 30 分钟内保持稳定；X 射线光电子能谱（XPS）显示，修饰后的 I、Br 结合能升高，说明卤素更稳定。

三、器件性能与稳定性

优化后的器件性能如何？我们来看关键数据：1.77 eV 宽禁带钙钛矿电池的冠军效率达到 21.01%，这是目前该禁带宽度下的最高值。其开路电压（Voc）从 1.27 V 提升到 1.30 V，短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）也同步提高。

稳定性更是亮点：未封装的电池在 1000 小时最大功率点跟踪（MPP）后，仍保留 95% 的初始效率，而对照组仅保留 83%。湿度稳定性测试中，60% 湿度下 120 小时，修饰组仍保持 82.2% 效率，对照组则大幅下降。这得益于 DB30C10 的疏水外环，减少了水分对电池的破坏。

此外，该策略还具有普适性 —— 将 DB30C10 用于窄禁带钙钛矿电池，效率同样提升，说明超分子调控是一种通用方法。

四、全钙钛矿串联电池性能

将优化后的宽禁带电池与窄禁带电池结合，就组成了全钙钛矿串联电池。分为两种结构：四端（4T）和两端（2T）。

4T 串联电池通过机械堆叠半透明宽禁带顶层和窄禁带底层，效率达到 28.37%。半透明顶层在近红外区透光性更好，能让更多光到达底层，提升整体吸收。

2T 串联电池通过隧道结（20 nm SnO₂ + 1 nm Au）连接，冠军效率达 28.44%，认证效率 27.92%。这一结果证明，超分子调控不仅优化了单结电池，更让串联电池性能迈上新台阶。

五、讨论与方法

总结来说，这项研究通过超分子策略（DB30C10），从分子层面解决了宽禁带钙钛矿的离子迁移和相分离问题，同时提升了效率和稳定性。其意义在于：为设计高效稳定的钙钛矿电池提供了 “主 - 客体” 调控新思路，推动全钙钛矿串联电池向商业化迈进。

在方法上，研究团队制备了 1.77 eV 宽禁带钙钛矿前驱体（Cs₀.₃FA₀.₆DMA₀.₁Pb (I₀.₇Br₀.₃)₃），并加入 0.5 mg/mL DB30C10 优化；器件采用倒置结构，通过旋涂、退火等步骤制备，确保薄膜均匀性。

六、总结与展望

这项研究通过超分子 DB30C10 调控，让宽禁带钙钛矿电池效率突破 21%，全钙钛矿串联电池效率达 28.44%，且稳定性大幅提升。这不仅为钙钛矿电池的性能优化提供了新方法，也为其商业化应用奠定了基础。未来，这种超分子策略有望拓展到更多光伏材料，推动太阳能电池效率和稳定性的进一步突破。

参考文献：

Lian, X., et al. A supramolecular approach to improve the performance and operational stability of all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 16, 7173 (2025).