论文标题：Recent Progress on High-Efficiency Perovskite/Organic Tandem Solar Cells

论文链接：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/10/745

期刊名：Nanomaterials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

作者介绍

谭占鳌，北京化工大学教授、博士生导师。现任IEEE PES储能技术委员会 (中国) 理事、能源材料与器件专家委员会委员、中国低碳经济发展促进会特约通讯员、国建筑金属结构协会光电建筑构件应用委员会委员。国际SCI期刊 Nanomaterials 副主编，Polymers、《发光学报》《中国低碳经济》等期刊编委，科技部、国家自然基金委、国家奖通讯评议专家。主要研究方向为聚合物/钙钛矿太阳电池材料与器件、量子点电致发光材料与器件、热敏软物质功能材料、电化学储能材料与器件。近年来，在 Nature Photonics、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition 等国际期刊上发表SCI收录论文280余篇，被引用20000余次。2014年、2018年、2024年三次获北京市科学技术奖二等奖，2023年获电力科技创新奖二等奖。

于润楠，北京化工大学副教授、硕士生导师。入选2023–2025北京市科协青年人才托举工程，入选北京化工大学青年英才百人计划；主持国家自然科学基金青年基金、面上项目及中央高校科研项目，国家重点研发计划青年科学家项目子课题，参与国家重点研发技术可再生能源专项。连续入选年度全球前2%顶尖科学家影响力榜单，担任 Carbon Neutrality 青年编委、Nanomaterials 特刊客座编辑。近年来围绕新型薄膜光伏器件的材料设计与器件制备开展了系统的研究工作，截至目前发表学术论文80余篇，他引8000余次，h-index 35。以第一及通讯作者身份在 Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 、Natl. Sci. Rev.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. 及 CCS Chem. 等Top期刊上发表30余篇论文，含多篇ESI高被引论文及热点论文。

研究背景

近年来，单结钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 与有机太阳能电池 (OPV) 的能量转换效率不断攀升，分别突破了27%与21%的纪录。然而，由于受到Shockley-Queisser理论极限的制约，单结器件的进一步效率提升空间已相对有限。为突破这一瓶颈，叠层太阳能电池 (TSCs) 逐渐成为研究前沿，其通过将不同光谱响应范围的子电池进行堆叠，实现对太阳光谱的分段高效利用，从而使理论效率极限有望提升至42%以上。

在众多叠层技术路线中，钙钛矿/硅叠层和全钙钛矿叠层已获得较高的效率认证，但在成本控制、柔性化、轻量化以及工艺兼容性等方面仍面临挑战。相比之下，钙钛矿/有机叠层太阳能电池 (PO-TSCs) 因兼具可溶液加工、带隙可调以及柔性轻质等独特优势，展现出巨大的发展潜力，因而成为近年来的研究热点。最近，北京化工大学于润楠副教授与谭占鳌教授在 Nanomaterials 期刊发表的综述文章，对该领域的研究进展进行了系统而全面的总结，为后续研究提供了重要参考。

结构设计与工作原理

钙钛矿/有机叠层太阳能电池的工作原理在于充分利用两种光伏材料在光谱吸收与能级特性上的互补性。宽带隙钙钛矿电池通常作为顶电池，主要吸收可见光区域的高能光子；而窄带隙有机电池置于底部，则负责吸收透过顶电池后的低能量近红外光，实现对太阳光谱的分段利用。二者之间通过中间连接层 (ICL) 实现电荷的高效复合与能级匹配，使上下子电池在电学上形成连续整体，从而在保证光学透过率的同时降低界面能损。与单结器件相比，这种分层吸收模式不仅有效减少了高能光子热化造成的能量损失，也提升了低能光子的利用率，从而显著改善了光电流密度和整体能量转换效率。

根据电学连接方式，PO-TSCs可分为两端 (2T)、三端 (3T) 和四端 (4T) 三类结构。其中，2T单片集成式因其结构紧凑、工艺相对简化且更适合大面积制备，被认为是最具应用前景的方案；3T结构通过独立电极设计在一定程度上缓解了电流匹配限制，而4T结构则使上下子电池能够独立运行与优化，但其工艺复杂度较高。总体而言，通过合理设计顶、底电池的带隙分布，并在中间连接层中实现高透光性与低能损的电荷复合，PO-TSCs能够在结构与机理上兼顾光谱互补与电学协同，器件的认证效率已超过26%，逐渐逼近理论极限。

优化策略

近年来PO-TSCs效率的飞速提升 (如下图所示)，这一进展主要归功于研究人员对顶电池、底电池及中间连接层三大关键部分的深入优化。

效率发展趋势图

顶电池：在钙钛矿/有机叠层太阳能电池中，顶电池通常采用宽带隙钙钛矿，其性能直接决定了叠层器件的开路电压和稳定性。然而，高溴含量往往存在缺陷态密度高、相分离和结晶不均等问题，导致严重的电压损失和寿命缩短。为此，研究者从缺陷钝化、结晶调控和界面工程三方面展开优化。缺陷钝化方面，引入小分子或聚合物添加剂可有效填补空位，减少非辐射复合；阳离子合金化 (如DMA?、IA?) 和氧化还原中介剂的应用则能抑制卤素离子迁移和相分离。结晶调控方面，利用多功能添加剂 (如PEAAc、TB等) 改善成核与生长动力学，获得均匀、致密的薄膜。界面工程方面，功能化分子修饰不仅优化能级匹配，还能进一步钝化表面缺陷并增强环境稳定性。通过这些策略，宽带隙钙钛矿顶电池的电压损失显著降低，稳定性得到提升，为叠层器件的高效率运行奠定了基础。

底电池：底电池通常采用窄带隙有机光伏材料，主要负责吸收近红外光，对提升叠层器件电流密度至关重要。近年来，Y系非富勒烯受体 (如Y6及其衍生物) 凭借强近红外吸收和优异的电荷传输性能，成为最具代表性的材料，其吸收可延伸至1000 nm以上，显著提升了光谱利用率。在材料设计之外，活性层形貌调控同样关键。传统的溶剂添加剂 (如DIO) 虽能改善相分布，但不利于工艺可控性和稳定性，因此研究逐渐转向使用固态或可挥发添加剂 (如TMB、TCB)，提升了薄膜形貌均一性和器件重现性。此外，多元共混策略 (如三元/四元体系) 通过拓宽吸收范围、优化相态分离和降低能量损失，进一步提高了器件的光电性能和稳定性。这些进展使得窄带隙有机底电池的电流输出不断增强，从而在叠层结构中实现更佳的电流匹配，为高效率PO-TSCs提供了坚实基础。

中间连接层：在钙钛矿/有机叠层太阳能电池中，ICL是决定器件性能的关键环节，其功能不仅在于连接上下子电池，更在于实现电荷高效复合、能级匹配与光学损耗最小化。早期常用的超薄金属层虽然具备优异导电性，但因寄生吸收和稳定性不足逐渐被淘汰。近年来，透明导电氧化物 (如SnO?、IZO、In?O?等) 成为主流选择，它们具有高透光率、良好导电性和较强稳定性，能够有效降低串联电阻并改善电流匹配。同时，聚合物或小分子功能层被广泛应用于调控能级和界面性质，既能提升电荷复合效率，又能作为缓冲层防止溶剂对下层的侵蚀。随着研究的深入，ICL的发展趋势逐渐转向功能一体化与新材料探索，例如通过离子掺杂的氧化物、二维材料 (石墨烯、MXenes) 或有机-无机复合层，不仅保证了电荷传输，还兼具缺陷钝化和稳定性提升功能。未来ICL的优化将聚焦于高透光、低电阻、工艺兼容与功能集成，以进一步推动PO-TSCs向高效率与长期稳定性发展。

挑战与展望

尽管钙钛矿/有机叠层太阳能电池在近年来已实现超过26%的认证效率，但距离实际应用仍存在若干亟待解决的挑战。首先，器件在长时间光照、湿度及热应力等综合环境作用下的稳定性仍显不足，这一问题已成为制约其产业化进程的关键。其次，实验室条件下制备的小面积高性能器件与大面积光伏模组之间仍存在显著的效率差距，如何提升工艺的可重复性与规模化制备的一致性，是未来发展必须突破的重要环节。此外，当前窄带隙有机光伏材料的吸收范围尚未完全覆盖近红外区域，如何将响应进一步拓展至1100 nm甚至更长波段，以实现对太阳光谱的更充分利用，也是该领域亟需攻克的核心科学问题。

展望未来，PO-TSCs的研究将持续聚焦于高稳定性与高效率的材料设计以及先进界面工程的探索。通过开发更加稳定的宽带隙钙钛矿、设计具备长波段响应的有机受体分子，以及构筑兼具高透过率与低能损的功能化中间层，有望进一步提升器件的效率与耐久性。同时，推动与印刷、喷涂及卷对卷涂布等低成本可扩展工艺的深度融合，将成为实现从实验室研究向产业化转化的关键路径。凭借其高效率、轻质柔性及半透明等独特优势，PO-TSCs未来有望在建筑光伏一体化、便携式能源供给及可穿戴电子等应用领域展现广阔前景，并逐步发展为下一代光伏技术的重要组成部分。

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Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。