摘要：缺陷和机械上弱的界面严重破坏了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率和稳定性。在这里，我们引入了一种线性聚合物，肝素钠，作为n-i-pPSCs中的多功能界面桥接层。与通常使用的小分子界面改性/钝化材料不同，肝素钠具有功能团和离子，包括C00、SO3-和Na+，分布

研究背景

缺陷和机械上弱的界面严重破坏了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率和稳定性。在这里，我们引入了一种线性聚合物，肝素钠，作为n-i-pPSCs中的多功能界面桥接层。与通常使用的小分子界面改性/钝化材料不同，肝素钠具有功能团和离子，包括C00、SO3-和Na+，分布在主链的顶部和底部。因此，它通过强大的化学键连接SnO2电子传输层和钙钛矿薄膜，从而减轻缺陷并增强PSCs的异质界面键合。所产生的刚性器件的功率转换效率(PCE)为26.61%(认证为26.54%)，是效率最高的PSC之一。我们还制造基于Sn02/肝素钠的柔性PSC，其PCE达到25.23%。以肝素钠为基础的装置表现出优异的操作和热稳定性。在模拟1日条件下的最大功率点跟踪1,800小时后，94.9%的初始PCE被保留。在85°C老化1800小时后，这些设备还保持了初始PCE的95.2%。

成果简介

海南大学董碧桃研究员、沙特阿卜杜拉国王科技大学Omar F. Mohammed教授、中国科学院大学材料科学与光电技术学院郑晓鹏副教授等人合作提出了使用肝素钠（HS）聚合物作为界面桥接层的策略，成功提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。该研究利用HS聚合物增强SnO2电子传输层与钙钛矿层之间的结合力，并有效钝化界面缺陷，从而提高了光电转换效率和长期稳定性。研究成果以“Enhancing the Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells via a Polymer Heterointerface Bridge”为题，发表在《Nature Photonics》期刊上。值得注意的是，河南师范大学汤晓丹为本文第一作者。

研究亮点

1.首次提出使用HS聚合物作为界面桥接层，成功连接SnO2电子传输层和钙钛矿层，通过增强界面结合力和钝化缺陷，显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。

2. 通过HS聚合物的引入，制备的钙钛矿太阳能电池达到了26.61%的功率转换效率（PCE），1,800小时后仍保持94.9%的初始效率。

3. 该策略不仅在常规电池中取得优异表现，还成功应用于柔性钙钛矿太阳能电池，且将PCE提升至25.23%。

图1 HS修饰的电子传输层的形貌与能级对齐

图1展示了HS聚合物作为界面桥接层在钙钛矿太阳能电池中的应用机制。图中展示了HS如何连接SnO2电子传输层（ETL）和钙钛矿层。HS聚合物的结构包含带有COO−、SO3−和Na+功能基团的线性骨架，这些功能基团分布在聚合物的两端，能够与SnO2和钙钛矿层表面形成强有力的化学键合，改善界面接触并钝化界面缺陷。图1b通过扫描透射电子显微镜（STEM）图像展示了HS层（厚度为3-5 nm）位于SnO2和钙钛矿之间的层状结构。图1c则通过紫外光电子能谱（UPS）测量证明HS修饰后的SnO2层的能带结构发生了变化，尤其是Ec上升，优化了能级对齐，降低了界面能量障碍，从而促进了电子的提取。图1d展示了整个器件的能级图，表明HS改性对能级对齐和电荷传输的优化效果。

图2 HS对钙钛矿光电性能的影响

图2展示了HS对钙钛矿薄膜光电性能的提升效果。扫描电镜图像（a、b）显示，HS修饰可显著增大钙钛矿晶粒尺寸，有利于降低界面缺陷密度。二维GIXRD图谱（c、d）进一步证明HS有助于改善薄膜结晶质量。瞬态吸收图谱（e、f）表明，HS修饰样品的激子寿命缩短，说明载流子提取更高效。稳态及时间分辨荧光光谱（g、h）显示HS可有效抑制非辐射复合，提高界面电荷转移效率。暗电流测试（i）计算得出HS显著降低了陷阱态密度。图（j、k、l）展示了通过QFLS和拟J-V曲线分析得出的能量匹配改善及伪PCE提升，进一步验证了HS在促进电荷提取、降低能垒和提高器件光电性能方面的多重作用。

图3 HS修饰对钙钛矿薄膜应力调控与界面黏附性能的增强作用

图3展示了HS对钙钛矿薄膜机械性能的提升效果。GIXRD测试结果（a、b）显示，未修饰样品在不同倾角下出现明显峰位偏移，说明存在应力；而HS修饰样品峰位稳定，说明应力缓解效果明显。图3c进一步通过2θ与sin²ψ的线性拟合验证了这一结论，未修饰样品呈现负斜率（拉应力），而HS修饰样品为轻微正斜率（微弱压应力），表明HS有效缓解残余应力。图3d通过双悬臂梁测试比较了界面断裂能（Gc），结果表明HS修饰使界面断裂能提高超过两倍，显著增强了界面结合强度。这归因于HS在SnO₂与钙钛矿之间形成的稳固化学键合。

图4 HS与钙钛矿和SnO₂的相互作用功能及SnO₂/钙钛矿界面的电子特性

图4分析了HS在SnO₂与钙钛矿之间的结合机制及其对界面电子结构的影响。通过密度泛函理论（DFT）计算，图4a–c展示了HS分子中COO⁻和SO₃⁻基团分别与钙钛矿中的Pb原子和SnO₂中的Sn原子形成强配位键，结合能显著，表明HS具备稳定的桥接作用。图4d–e的电荷密度差异图进一步揭示了HS引起的界面电荷重新分布，有效促进载流子传输。XPS测试结果（图4f–h）验证了理论预测：Sn、Pb和I的结合能均出现位移，表明HS参与了实际的化学键合。实验结果表明，HS不仅通过化学键提升界面结合强度，还通过电荷调控优化器件的电性能，为界面工程提供了有效策略。

图5 原始SnO₂和SnO₂/HS的钙钛矿太阳能电池器件性能与稳定性分析

图5展示了HS对钙钛矿太阳能电池（PSCs）光电性能和稳定性的提升作用。J-V曲线（a）显示，引入HS后器件效率从25.35%提升至26.61%，主要归因于更高的开路电压（Voc）和填充因子（FF）。EQE曲线（b）与稳态功率输出（c）进一步验证了其优异性能。PCE统计（d）表明HS器件性能更稳定、分布更集中。HS同样适用于柔性器件（e、f），效率由23.8%提升至25.23%。在连续光照（g）、高温老化（h）及多次弯折（i）测试中，HS修饰器件分别保持94.9%、95.2%和95.5%的初始效率，显著优于对照组，充分证明HS在提升器件性能和可靠性方面的显著作用。

总结展望

本研究证明，采用HS作为SnO₂与钙钛矿层之间的聚合物桥接层，可有效提升钙钛矿太阳能电池的效率与长期稳定性。HS不仅通过其丰富的官能团实现界面缺陷钝化，还通过增强异质结结合力，改善器件的机械与热稳定性。该策略在常规与柔性器件中均表现出优异性能，具备广泛适用性。聚合物界面工程将在钙钛矿电池的产业化过程中发挥重要作用。进一步开发具有特定结构和功能的高分子材料，有望实现更高效、更稳定、可扩展的钙钛矿器件。

文献信息

Enhancing the efficiency and stability of perovskite solar cells via a polymer heterointerface bridge. nature photonics, https://doi.org/10.1038/s41566-025-01676-3

来源：锐翔教育