华中科技大学/北京工业大学/深圳职业技术大学，Nature Energy！

一、研究背景

倒置（p-i-n构型）钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其固有的稳定性和与串联架构的兼容性，已成为钙钛矿光伏商业化的主要技术路线之一。通过晶体调控、界面工程和缺陷钝化等方面的最新突破，其认证光电转换效率（PCE）已达到 26.54%，与传统 n-i-p 结构相当。

二、关键问题

目前，倒置PSCs的研究主要存在以下问题：

1、晶体取向无序问题

溶液加工过程中，钙钛矿晶体的成核、生长和结晶过程不受控，往往导致晶体取向无序，从而严重影响电荷传输效率和器件长期稳定性。

2、单一调控机制局限性

当前研究大多侧重于使用单一添加剂和单一相互作用机制来调控晶体取向和钝化缺陷，但这种方法缺乏利用双分子间和多重协同相互作用来精确微调晶体取向的整体策略。

三、新思路

有鉴于此，华中科技大学陈炜、刘宗豪、北京工业大学卢岳、深圳职业技术大学李竞白等人通过萘铵盐和萘磺酸盐之间的芳香相互作用来调控钙钛矿的成核和生长。萘铵盐中的铵基团占据甲脒位点，而萘磺酸盐中的磺酸盐基团则与铅离子配位。关键在于，它们的萘部分在[PbI₆]^4-八面体旁边形成了紧密的芳香堆叠。这些相互作用促进了钙钛矿沿（100）面的有序面外取向结晶，从而增强了缺陷钝化和载流子传输。本文实现了倒置钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率（PCE）达到 27.02%（经认证为 26.88%）。封装器件在环境空气中连续光照下进行最大功率点跟踪（MPPT）2,000 小时后，仍保持其初始效率的 98.2%。此外，作者展示了孔径面积为11.09 cm² 的倒置迷你组件的认证稳态效率为23.18%，以及全钙钛矿串联太阳能电池的认证效率为 29.07%。

技术方案：

1、分析了钙钛矿晶体结构和取向

分析结果表明，PHNS+BNAC显著增强钙钛矿晶体面外（100）取向，改善晶界规整性和微应变均匀性。

2、解析了钙钛矿晶体生长机制

研究证实PHNS+BNAC通过芳香堆叠相互作用实现共定位，促进了钙钛矿有序成核和（100）面取向生长，显著提升了晶体质量。

3、表征了钙钛矿薄膜的光电性能

PHNS+BNAC通过改善晶体质量和缺陷钝化，显著提升PL强度和载流子寿命，增强n型特性，提高了器件开路电压。

4、验证了器件的光伏性能

PHNS+BNAC提升钙钛矿薄膜质量与稳定性，倒置PSCs效率达27.02%（认证26.88%），大面积应用效率显著。

技术优势：

1、首次报道了利用芳香相互作用调控晶体取向

本文首次报道了利用萘基添加剂PHNS和BNAC之间的分子间芳香堆叠作为驱动力，精确调控钙钛矿晶体沿（100）面的面外取向，成功地将晶体取向无序转化为高度有序排列。

2、实现了效率与稳定性双重优化

本文提出的双分子策略实现了单结倒置PSCs的超高效率（认证 26.88%）和突破性的运行稳定性（2000 小时保持 98.2% 初始效率），并在大面积模组和串联器件中展示出优异的扩展性，认证效率分别达 23.18% 和 29.07%。

技术细节

钙钛矿晶体结构和取向

通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和X射线衍射（XRD）分析，作者证实了PHNS+BNAC显著增强了钙钛矿晶体的面外（100）取向。GIWAXS显示，与无序的对照膜相比，PHNS+BNAC修饰的钙钛矿膜在90°方位角处（100）峰显著增强，Herman取向因子提高了十倍。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和纳米束衍射（NBD）进一步证实了这种结构优势：对照膜表现出不规则晶界和随机晶体取向，而PHNS+BNAC膜则具有清晰、穿透的晶界以及均匀的（100）面NBD 图样，直接证明了晶格的相干排列。此外，PHNS+BNAC的引入还显著改善了钙钛矿薄膜的微应变均匀性，并在较大薄膜尺度上实现了应变弛豫。

图  钙钛矿晶体结构和取向

钙钛矿晶体生长机制

研究揭示了PHNS+BNAC对钙钛矿晶体生长模式和相互作用的显著影响。对照膜呈“角朝上”生长模式，而PHNS+BNAC膜则为“面朝上”有序生长。核奥弗豪泽效应谱（NOESY）和元素能量损失谱（EELS）映射显示，PHNS和BNAC分子通过芳香堆叠相互作用在钙钛矿晶界共定位。理论计算表明，这种双分子体系与PbI₂的结合能显著增强（-1.98 eV），促进有序成核。在钙钛矿晶格中，PHNS与Pb²⁺协调键合，BNAC占据FA⁺位点，萘部分的平均平面距离减小到约3.6 Å，进一步强化了芳香堆叠。这种强相互作用使2(PHNS)+BNAC/钙钛矿体系的结合能高达-9.19 eV，成为驱动（100）面有序取向生长的关键因素。原位GIWAXS和PL测量表明，PHNS+BNAC能延迟晶化动力学，促进在旋涂过程中形成（100）取向的α相预成核组装体，并延长δ相向α相的转变时间，最终形成高质量晶体。

图  钙钛矿晶体生长机制

钙钛矿薄膜的光电性能

PHNS+BNAC双分子体系通过改善晶体质量和增强缺陷钝化有效抑制非辐射复合损失。稳态PL和TRPL测量显示，PHNS+BNAC膜具有最高PL强度、最长载流子寿命和最均匀载流子分布。理论计算表明，该体系通过芳香堆叠协同作用增强与FA、I和Pb空位缺陷的结合能，实现多种缺陷的同时钝化。光致发光量子产率（PLQY）从0.69%显著提高到7.78%，准费米能级分裂（QFLS）增加62.3 meV，预示器件开路电压（V_OC）提高。开尔文探针力显微镜（KPFM）分析显示，PHNS+BNAC引入后，费米能级向导带最小值移动0.34 eV，增强薄膜n型特性，促进了钙钛矿/电子传输层界面的有效电子提取。

图  钙钛矿薄膜的光电性质

器件的光伏性能

得益于优异的钙钛矿薄膜质量、增强的缺陷钝化和优化的能级，PHNS+BNAC倒置PSCs实现了 27.02% 的最高 PCE（认证 26.88%）。该性能提升是短路电流密度（J_SC）、V_OC和填充因子（FF）同步增强的结果。在稳定性方面，PHNS+BNAC 膜表现出更高的离子迁移活化能，表明其固有稳定性增强。在85°C/85%相对湿度下测试600小时后，封装器件仍保持95.9%的初始效率。在连续光照MPPT条件下（环境空气，65±5°C），PHNS+BNAC 器件在 2,000 小时后仍保持 98.2% 的初始 PCE。在大面积应用方面，迷你模组的认证稳态效率为23.18%，全钙钛矿串联太阳能电池的认证PCE 达到了 29.07%。

图  器件的光伏性能

五、展望

总之，本研究通过PHNS和BNAC的芳香相互作用实现高质量钙钛矿薄膜制备。该方法利用萘部分精确插层，强化空位和晶界缺陷锚定，促进有序结晶并增强缺陷钝化。基于此策略的倒置PSCs效率达27.02%（认证26.88%），2000小时光照后效率保持98.2%。此外，微型模块和全钙钛矿叠层太阳能电池分别获得23.18%和29.07%的认证效率，为钙钛矿光伏效率提升和稳定性改善提供了新途径。

参考文献：

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

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