一、【科学背景】
柔性钙钛矿/CIGS串联太阳能电池面临在粗糙CIGS表面制备高质量钙钛矿顶电池的挑战，现有方法存在SAMs吸附不均匀、钙钛矿润湿性差、界面易分层等问题，导致效率低于23%（<0.2 cm²）。传统SAMs工艺需耗时数小时的浸渍或多次旋涂，且溶剂共吸附导致分子覆盖率低（仅30-50%），制约量产化。柔性薄膜电池在航空航天、可穿戴设备等领域需求迫切，需同时满足高效率（>24%）、大面积（>1cm²）和机械耐久性（3000次弯曲）。
二、【创新成果】
近日，来自宁波材料所的叶继春团队在 Nature Energy 期刊发表了题为“Antisolvent seeding of self-assembled monolayers for flexible monolithic perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”的论文，提出“抗溶剂种子策略”，实现SAMs溶解与吸附过程解耦：高极性DMF抑制分子聚集，低极性正己烷促进致密单层形成。钙钛矿预埋种子层：提升润湿性（接触角从35.7°降至12.4°），增强界面附着力（剥离强度提升291%）。开发Cs0.17FA0.83(PbI0.4Br0.6)3宽带隙（1.65 eV）钙钛矿，缺陷密度降低2个数量级。结合分子动力学（MD）模拟优化溶剂体系，提升结晶质量与载流子提取效率，揭示了溶剂极性对SAMs吸附动力学的影响，提出“高极性溶解-低极性吸附”协同机制。相关研究成果适用于航空航天（高功率重量比）、可穿戴设备（耐弯曲）及建筑一体化光伏（曲面适配）。
图1 溶剂对自组装单分子膜溶解和吸附的影响。 ©2025 Springer Nature
通过激光和热解作用，金属羰基化合物分解成原子，这些原子在范德华力的作用下聚集成纳米团簇。利用激光诱导的局部表面等离子体共振增强光学场，促进纳米团簇聚集并形成3D结构。短脉冲宽度导致冷加工，但高重复率可能引起局部微小加热，使纳米团簇快速烧结。激光按照预设路径移动，直接打印出复杂的3D纳米结构，如Mo-Co-W合金的三脚架结构和其他示例结构。通过SEM图像和EDS映射证实合金成分的均匀分布，以及Fe2O3材料的三角支架结构。
图2 抗溶剂诱导策略对自组装单分子膜的影响 ©2025 Springer Nature
作者通过过抗溶剂种子策略（antisolvent-seeding strategy）实现了高密度自组装单层（SAMs）的吸附，并通过多种实验手段验证了其效果。作者通过溶剂极性调控抑制SAMs分子在溶液中的聚集（如形成胶束），提高溶解性，减少溶剂与基底（如ITO）的竞争吸附，促进SAMs分子快速、密集地吸附到基底表面。通过分步处理（先溶解SAMs于高极性溶剂，再引入低极性抗溶剂），将SAMs的溶解与吸附过程解耦。结合钙钛矿种子层预混，增强基底与钙钛矿前驱体的亲和性，形成化学桥接。
高密度SAMs减少基底（如ITO）与钙钛矿的直接接触，抑制载流子复合，提升了界面质量。紧密的SAMs层改善钙钛矿与基底的粘附力，抗剥离强度（Gc）从1.01 N（传统方法）提升至2.94 N，增强了机械稳定性。
图3 抗溶剂诱导策略对钙钛矿的影响 ©2025 Springer Nature
作者通过预混钙钛矿种子层与自组装单分子层（SAMs）协同作用，显著改善钙钛矿前驱体在粗糙CIGS表面的润湿性（接触角从35.7°降至12.4°），并诱导异质成核，降低结晶能垒。原位光谱分析揭示了种子层通过桥接效应优化流变行为，加速成核并抑制孔洞形成。界面形貌表征显示目标钙钛矿层致密均匀，粘附力提升近3倍（断裂阻力达2.94 N），结合STEM与元素映射证实了钙钛矿与基底的无缝接触。光电性能方面，种子策略通过钝化界面缺陷和增强载流子提取效率，显著提升光致发光量子产率，最终支撑了高效柔性钙钛矿/CIGS串联太阳能电池的制备。该研究为异质基底上高质量钙钛矿薄膜的生长提供了普适性解决方案。
图4 抗溶剂诱导策略对钙钛矿单结太阳能电池的影响 ©2025 Springer Nature
作者基于抗溶剂种子策略制备了钙钛矿/CIGS串联太阳能电池的，实验表明，优化后的柔性器件在AM1.5G光照下实现了27.0%的认证光电转换效率（PCE）（实验室最高达27.4%），显著优于未使用种子层的对照组（24.7%），且开路电压（Voc）提升至1.86 V，接近理论极限。柔性器件在弯曲半径5 mm、5000次循环后仍保持95%的初始效率，展现出优异机械稳定性。此外，串联电池在最大功率点跟踪（MPPT）下连续运行500小时无显著衰减，效率保持率超90%。性能提升归因于种子策略减少界面缺陷、增强载流子提取效率，以及SAMs层对非辐射复合的有效抑制。该结果刷新了柔性钙钛矿/CIGS串联电池的效率纪录，并验证了其实际应用潜力。
图5 柔性单片钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的性能。 ©2025 Springer Nature
作者通过将1.65 eV钙钛矿顶电池与商用卷对卷1.1 eV CIGS底电池集成，成功制备了柔性单片钙钛矿/CIGS串联太阳能电池。扫描电镜显示钙钛矿层完全覆盖CIGS粗糙表面，界面无孔洞或尖端暴露。优化后的1.09 cm²柔性串联电池在反向扫描下实现24.9%的实验室效率（Voc=1.765 V，Jsc=17.9 mA cm⁻²，FF=78.9%），稳定输出功率24.6%。EQE光谱显示子电池电流密度分别为19.8 mA cm⁻²（钙钛矿）和18.1 mA cm⁻²（CIGS），46个批次器件的平均效率达23.8%，展现良好重复性。将钙钛矿带隙提升至1.72 eV虽改善电流匹配，但FF下降导致整体效率维持24.6%，未来需减少宽禁带钙钛矿的Voc损失。经认证的1.09 cm²柔性器件效率达23.8%（Voc=1.75 V，FF=77.2%，Jsc=17.6 mA cm⁻²），性能媲美刚性基板串联电池，比功率达0.59 W g⁻¹。未封装器件在320小时MPP跟踪后保持90.3%初始效率，归因于SAMs层阻隔钙钛矿与ZnO:Al的直接接触，抑制界面质子转移反应。弯曲测试（半径10 mm，3000次循环）后器件保留93%性能，性能衰减主要源于IZO层裂纹而非钙钛矿界面分层，验证了抗溶剂种子策略增强的界面粘附性。该研究为柔性串联电池的效率和稳定性提升提供了重要参考。
三、【科学启迪】
总之，作者通过抗溶剂种子策略优化自组装单层（SAMs）的吸附行为，解决了柔性CIGS基底表面粗糙导致的钙钛矿层覆盖不均问题。研究表明，溶剂极性调控可抑制SAMs聚集，低极性抗溶剂促进高密度单层形成，这为其他需要界面优化的器件（如有机电子、传感器）提供了新思路。提出“溶解-吸附解耦”机制：高极性溶剂（DMF）抑制SAMs溶解时的分子聚集，低极性抗溶剂（正己烷）减少竞争吸附。这种溶剂组合设计突破了传统单一溶剂体系的局限，启发了溶液加工中溶剂选择的系统化方法。预埋钙钛矿种子层通过降低成核势垒，显著改善钙钛矿在疏水SAMs表面的润湿性和结晶质量。该策略可推广至其他溶液法制备的半导体材料（如量子点、有机光伏），为解决异质界面结晶难题提供范例。通过增强钙钛矿与基底界面附着力（剥离能提升至2.94 N/m），器件在3000次弯曲（曲率半径1 cm）后仍保持93%性能。这揭示了柔性电子中“界面韧性”的重要性，为可穿戴设备开发提供了力学优化方向。
原文详情：
Antisolvent seeding of self-assembled monolayers for flexible monolithic perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells. Nat Energy (2025).
DOI: 10.1038/s41560-025-01760-6
本文由尼古拉斯供稿
