类型a：原创性研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为复旦大学智能材料与未来能源学院的Jia Liang、Yang Wang和Yan Zhao，第一作者包括Tianpeng Li、Feifei He和Tao Shen（共同一作）。合作单位涵盖复旦大学光伏科学与技术国家重点实验室、东华大学、同济大学、香港城市大学等机构。研究成果于2025年10月24日在线发表于Nature Energy期刊，标题为《Centimetre-scale fullerene-free tin-based perovskite solar cells with a 14.51% certified efficiency》，DOI号为10.1038/s41560-025-01919-1。

二、学术背景与研究目标
科学领域：该研究属于钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）领域，聚焦于无铅锡基钙钛矿（Tin-based Perovskite, TPS）光伏器件。
研究动机：传统锡基钙钛矿电池依赖富勒烯衍生物（如ICBA、PC60BM）作为电子传输层（Electron Transport Layer, ETL），但其存在电子迁移率低（~10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹）、与钙钛矿层相互作用弱、合成成本高、疏水性差等问题，限制了器件效率与稳定性。
研究目标：开发新型非富勒烯ETL材料，通过分子设计解决上述瓶颈，实现高效率（>15%）、大面积（1 cm²）且稳定的锡基钙钛矿太阳能电池。

三、研究流程与方法
1. 非富勒烯ETL材料设计与合成
- 分子结构：基于二酮吡咯并吡咯（Diketopyrrolopyrrole, DPP）和双氟苯并噻二唑（Difluorobenzothiadiazole）的三重受体架构，设计三种聚合物ETL（P1、P2、P3），通过氟化修饰和烷基侧链增强疏水性。
- 合成路线：
1. 单步C-H活化反应合成DPP-双氟苯并噻二唑三嵌段（DFB）；
2. 溴化反应生成单体DFB-Br；
3. Stille偶联聚合调控噻吩含量与氟取代位点，最终获得P1、P2、P3。
- 成本优势：非富勒烯ETL的原料成本仅为ICBA的1/5（见补充材料Note 1）。

1. 材料表征与性能验证

   • 能级匹配性：通过紫外光电子能谱（UPS）和紫外-可见光谱（UV-Vis）测定ETL的价带顶（VBM）与导带底（CBM），发现P3与钙钛矿（PEA0.10FA0.90SnI3）能级完美对齐（CBM: -3.78 eV vs. -3.70 eV）。
     
   • 电子迁移率：空间电荷限制电流（SCLC）测试显示P3的迁移率达1.29 cm² V⁻¹ s⁻¹，比ICBA高3个数量级。
     
   • 疏水性：接触角测试表明P3的疏水角为103.2°，显著优于ICBA（59.9°）。
     

2. 界面相互作用研究

   • 静电势分析：计算表明P3与SnI₂的吸附能（-3.22 eV）远高于ICBA（-1.26 eV）。
     
   • 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：P3-SnI₂混合物中C-S、C-F键的峰位移证实强相互作用。
     
   • 开尔文探针力显微镜（KPFM）：P3界面电势差最小，表明电子转移速率最快。
     

3. 器件制备与性能测试

   • 器件结构：ITO/PEDOT:PSS/钙钛矿/ETL/BCP/Ag，优化ETL厚度为20 nm（15 mg/mL溶液浓度）。
     
   • 效率验证：
     
     • 小面积（0.04 cm²）器件：P3实现16.06%效率（认证效率15.90%），Voc=0.99 V；
       
     • 大面积（1 cm²）器件：P3效率14.67%（认证效率14.51%），为目前报道的最高值。
       
   • 稳定性测试：
     
     • 连续1太阳光照550小时后，P3器件保持初始效率的86%；
       
     • shelf存储1200小时后效率无显著衰减。
       

四、主要结果与逻辑链条
1. 材料性能突破：P3的高迁移率（1.29 cm² V⁻¹ s⁻¹）和能级匹配性解决了电子传输瓶颈，其强界面相互作用抑制了非辐射复合（PL寿命仅3.01 ns）。
2. 大面积均匀性：PL mapping显示P3ETL覆盖的钙钛矿薄膜均匀性最佳，支撑了1 cm²器件的高效率。
3. 稳定性机制：长烷基链和氟原子的疏水性保护钙钛矿层免受水分侵蚀（接触角>100°），缺陷密度降至5.23×10¹⁵ cm⁻³（SCLC测试）。

五、结论与价值
科学价值：
- 提出“氟化-三重受体”分子设计策略，为非富勒烯ETL开发提供新范式；
- 揭示强界面相互作用与高迁移率的协同增效机制。
应用价值：
- 首次实现厘米级锡基钙钛矿电池效率>14%，推动无铅钙钛矿商业化进程；
- 低成本和简易合成工艺（如Stille聚合）适合规模化生产。

六、研究亮点
1. 效率纪录：1 cm²器件14.51%认证效率为当前领域最高；
2. 创新材料：P3首次将DPP基聚合物应用于锡基钙钛矿ETL；
3. 稳定性突破：疏水设计使器件在湿热环境下寿命延长3倍；
4. 跨学科方法：结合理论计算（ESP）、原位表征（KPFM）与器件工程。

七、其他价值
- 补充材料中公开了完整的合成路线与核磁数据（Supplementary Schemes 1-5），可供其他团队复现；
- 提出的“非富勒烯ETL筛选标准”（能级匹配、高迁移率、强相互作用、疏水性）被列为领域参考框架。