超分子工程调控宽禁带钙钛矿结晶动力学实现高效稳定全钙钛矿叠层太阳能电池

针对宽禁带(WBG)钙钛矿太阳能电池(PSCs)因离子迁移导致的相分离和稳定性问题，研究人员采用二苯并-30-冠-10(DB30C10)超分子添加剂，通过调控卤化物与单价阳离子/铅离子的配位作用，显著抑制了1.77eV WBG钙钛矿的卤素偏析。该研究实现了21.01%的冠军效率，并在1000小时最大功率点跟踪(MPP)测试后保持95%初始效率，同时全钙钛矿叠层电池(TSCs)效率达28.44%(认证27.92%)，为高效稳定钙钛矿光伏器件开发提供了新策略。

　　

在追求更高光电转换效率的道路上，钙钛矿太阳能电池(PSCs)已经展现出与硅基电池比肩的潜力。然而，当科学家们将目光投向理论效率可达43%的叠层结构时，作为关键组件的宽禁带(WBG)钙钛矿顶层电池却暴露出致命弱点——在光照下，溴(Br)和碘(I)离子如同"不安分的舞者"，会自发分离形成富Br和富I区域，这种相分离现象不仅产生大量缺陷，还成为电荷复合中心，严重制约器件效率和稳定性。更棘手的是，传统有机长链配体在调控离子迁移方面效果有限，这成为制约全钙钛矿叠层太阳能电池(TSCs)发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果。他们独辟蹊径地采用具有30元大环结构的二苯并-30-冠-10(DB30C10)超分子作为"分子调节器"，通过其富氧空腔与甲脒(FA⁺)、铯(Cs⁺)和铅(Pb²⁺)的多点协同作用，成功驯服了卤素离子的"迁徙本能"。这种超分子工程策略不仅实现了1.77eV WBG-PSCs的21.01%冠军效率，更创造了1000小时最大功率点(MPP)测试后保持95%初始效率的稳定性记录，同时推动全钙钛矿叠层电池效率达到28.44%的新高度。

研究团队运用了多项关键技术：通过密度泛函理论(DFT)计算筛选最优冠醚结构；采用原位光致发光(PL)映射实时监测卤素偏析行为；结合X射线光电子能谱(XPS)和核磁共振(¹H-NMR)解析分子相互作用机制；利用空间电荷限制电流(SCLC)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)分析缺陷分布；开发四端(4T)和两端(2T)叠层器件集成工艺。

【结晶动力学调控】冠醚的引入改变了钙钛矿结晶路径，XRD显示(100)/(110)晶面比例提高，残余PbI₂特征峰消失，表明结晶质量显著改善。SEM观察到改性薄膜表面更均匀，晶界减少。

【缺陷钝化机制】SCLC测试显示电子和空穴的陷阱填充极限电压(V_TFL)分别从0.85V和0.52V降至0.73V和0.28V，证实DB30C10有效降低了缺陷密度。TOF-SIMS证实超分子富集在界面处，抑制卤素离子扩散。

【相分离抑制】原位PL映射显示，对照样品在532nm激光照射30分钟后出现明显红移，而改性样品保持稳定。这种稳定性源于冠醚与阳离子形成的正电区域对卤素阴离子的静电束缚作用。

【器件性能突破】冠军WBG-PSCs实现21.01%效率(V_oc=1.30V，J_sc=18.75mA/cm²，FF=86.18%)，半透明器件达18.97%。4T和2T全钙钛矿叠层电池分别获得28.37%和28.44%效率(认证27.92%)。

【稳定性提升】未封装器件在MPP追踪测试中展现卓越光稳定性，1000小时后保持95%初始效率。接触角测试显示改性薄膜疏水性增强(44.7°→64.96°)，湿度稳定性显著改善。

这项研究开创性地将大环冠醚化学引入钙钛矿光伏领域，通过精准的"主-客体"相互作用调控离子迁移，解决了困扰WBG钙钛矿的相分离难题。特别是DB30C10分子独特的富氧空腔结构，能够同时稳定A位阳离子和B位铅离子，形成三维缺陷钝化网络，为开发高效稳定钙钛矿光伏器件提供了普适性策略。该工作不仅刷新了全钙钛矿叠层电池的效率纪录，其提出的超分子工程思路对钙钛矿光电器件的界面修饰和稳定性提升具有重要指导意义。