钙钛矿-有机叠层电池因可室温溶液加工、柔性好、稳定性高而受关注。其效率瓶颈在于低带隙(LBG)有机子电池的光电流低于宽带隙(WBG)钙钛矿子电池：两层外量子效率(EQE)谱在钙钛矿带边高度重叠，有机子电池被前置钙钛矿层过滤，短路电流因此受限。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本研究设计了一种吸收边超过1000 nm的低带隙非富勒烯受体(NFA) Zh-F，作为第三组分掺入 PM6:BTP-eC9 形成三元有机子电池，与 1.82 eV 宽带隙钙钛矿子电池串联，两端叠层电池的光电转换效率(PCE)达到27.35 %（认证26.88 %）。

实验方法

Zh-F 的合成路线

按"材料设计—器件构筑—表征"三条线组织：

材料设计与合成：Zh-F为A-D-A型非富勒烯受体，以富电子阶梯型杂庚并七烯（无 sp³ 桥接原子）为中央给体核，两端接部分氟化茚满酮端基；部分氟化侧链调节结晶性。密度泛函理论（B3LYP/6-311G(d,p)）给出 HOMO -5.56 eV、LUMO -3.59 eV，静电势显示负电荷集中在氟代端基；富电子核抬升 HOMO、收窄带隙至 1.23 eV，吸收边 1009 nm，能级与 PM6 匹配。

器件构筑：单结有机太阳能电池为反型结构 ITO/Ph-2PACz/活性层/PDIP/Ag，以 PM6 为给体，分别与 BTP-eC9、Zh-F 组二元，或以 PM6:BTP-eC9:Zh-F = 1:1:0.2（重量比）组三元。叠层结构为ITO/NiOx/Ph-4PACz/钙钛矿/C60/SnOx/Au/MoOx/Ph-2PACz/有机层/PDIP/Ag。

表征手段：循环伏安法(CV)、紫外光电子能谱(UPS)、飞秒瞬态吸收(fs-TA)、空间电荷限制电流(SCLC)、掠入射广角 X 射线散射(GIWAXS，三者均面朝上、(010) 峰在面外)、原子力显微镜(AFM)、接触角，以及光伏 J-V 与外量子效率(EQE)测试。

材料设计与吸收

分子结构、吸收、能级图与理论计算

Zh-F 在氯仿中的摩尔消光系数达 2.52×10⁵ M⁻¹cm⁻¹，几乎是 BTP-eC9（1.38×10⁵）的两倍。薄膜态吸收峰比溶液态红移 101 nm（从 800 nm 移至 901 nm），说明固态下分子间作用增强。循环伏安测得 LUMO 为 -3.99 eV、HOMO 为 -5.58 eV，紫外光电子能谱给出 HOMO -5.61 eV，与计算一致。Zh-F 的吸收带较窄，单独与 PM6 搭配时光收集能力不足；引入带隙较大的 BTP-eC9 形成三元共混后，PM6、Zh-F、BTP-eC9 三者的吸收互补，为高 Jsc 打下基础。Zh-F 高达 2.52×10⁵ 的消光系数意味着更薄的活性层就能充分吸光，对叠层里厚度受限的后电池尤其有利。

有机太阳能电池性能与电荷动力学

有机太阳能电池的光伏性能与能量损失(Eloss)分析

三元器件最优性能为PCE 19.84 %，Jsc 29.00 mA/cm²，FF 80.20 %，Voc 0.853 V。对比基准二元 PM6:BTP-eC9（PCE 19.30 %，Jsc 28.39）和 PM6:Zh-F（PCE 16.35 %，Jsc 26.26），三元同时在 Jsc 和 FF 上提升。能量损失(Eloss)分析给出三元总 Eloss 0.510 eV，其中非辐射复合损失 ΔE3 仅 0.189 eV，为三者最低，说明电压损失被压住。三元总 Eloss 虽略高于 PM6:Zh-F 二元的 0.472 eV，但明显低于 PM6:BTP-eC9 二元的 0.531 eV，在拓宽吸收带来的高 Jsc 与维持高 Voc 之间取得了平衡。三元器件的外量子效率谱相对基准发生了红移：在靠近钙钛矿带边的短波区响应减弱，在更长波段的响应增强，这种被设计出的外量子效率轮廓让低带隙有机子电池在不与钙钛矿光谱重叠的窗口里多收光，正是叠层最需要的性质。

空间电荷限制电流测试显示三元迁移率最高且最平衡（μh/μe = 1.11），激子解离概率 96.1%。光强依赖测试中 Jsc 指数 α 为 0.99、Voc 对光强的斜率降到 1.03 kT/q，表明陷阱辅助复合被抑制、双分子复合占主导。外量子效率上，三元在 850–1100 nm 区间比二元高 1.01 mA/cm²，在 650–850 nm 区间低 0.43 mA/cm²，650–1100 nm 全程净增 0.58 mA/cm²——净增部分落在钙钛矿几乎不吸收的长波区，正是叠层后子电池最需要的增益。

电荷转移与复合动力学

电荷动力学分析

飞秒瞬态吸收在 850 nm 激发下，三元薄膜的基态漂白信号衰减最快（约 0.65 ps），快于 PM6:BTP-eC9（约 0.70 ps）和 PM6:Zh-F（约 0.80 ps），对应更快的给体-受体界面空穴转移。PM6:Zh-F 二元因两者 HOMO 能级差小，空穴转移较弱，基态漂白信号偏弱。

薄膜形貌

薄膜形貌与分子堆积行为

原子力显微镜显示三元膜均方根粗糙度 0.754 nm，比两个二元膜（0.945、0.814 nm）更细，相分离更致密。接触角测得 Zh-F:BTP-eC9（1:5）共混膜表面能 30.51 mJ/m²，比单独的 Zh-F（33.05）或 BTP-eC9（39.11）更接近 PM6（27.50），界面接触电阻因此下降，三元器件的 Jsc 和 FF 随之抬高。更细的相分离尺度缩短了载流子向界面的传输距离，与提升的迁移率一起解释了三元器件 Jsc、FF 的双重改善。掠入射广角 X 射线散射中三元晶体相干长度 29.25 Å、π-π 堆垛距离 3.60 Å，比 PM6:Zh-F 二元（28.91 Å、3.62 Å）更有序，这种形貌与结晶改善共同推高了三元膜内的电荷迁移率。

钙钛矿-有机叠层电池

含 Zh-F 的钙钛矿-有机叠层太阳能电池(TSC)的光伏性能

本文用 1.82、1.85、1.88 eV 三种带隙的钙钛矿前电池与有机后电池配对，对照实验显示 1.85 eV 钙钛矿更适合搭配二元有机子电池，而只有约 1.82 eV 的钙钛矿能与三元有机子电池实现电流匹配，说明子电池带隙配对直接决定叠层能否发挥各自电流上限。优化后钙钛矿前层厚约 350 nm、有机后层约 120 nm。

基于三元的最高叠层器件 PCE 27.35%（对应二元版本 25.69%），Voc 2.16 V，Jsc 15.35 mA/cm²，FF 82.39%；顶/底子电池积分 Jsc 分别为 14.91、14.90 mA/cm²，相互匹配。三元有机子电池在 800–1005 nm 的积分 Jsc 比 PM6:BTP-eC9 参考高 1.53 mA/cm²，全程净增 0.77 mA/cm²。该器件送第三方认证得 PCE 26.88%，在已汇总的所有钙钛矿-有机叠层结果中居首位，表明以近红外受体设计补齐光谱空缺是提升该类叠层效率的可行路径。

连续最大功率点(MPP)追踪下，未封装器件在氮气、1 倍光照中运行约 744 小时仍保持 80% 效率（单结有机太阳能电池仅 166 小时）；65°C 热台上 570 小时保持 85%，热稳定性同样扎实。

本研究设计合成的低带隙受体 Zh-F 把有机子电池的光响应推到 1000 nm 以外，三元策略在补足吸收的同时把能量损失压到 0.510 eV。与 1.82 eV 宽带隙钙钛矿子电池串联后，两端钙钛矿-有机叠层电池做到 27.35%（认证 26.88%），为该类叠层迄今最高效率。宽带隙钙钛矿吸收了紫外光，减缓了有机子电池的光降解，器件的运行与热稳定性均明显优于单结有机太阳能电池。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

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钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，并在上一代基础上完成全面进阶：光谱范围拓展至300~1700 nm（AM0）、光谱等级达到AAA（AM0）、支持 24 通道独立可调，为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池（2T/3T/4T）的研究提供了强有力的支持。

▶ 光源等级：AAA（AM0），光谱范围 300~1700 nm，适用于太空光伏测试

▶ 多波段独立可控：24 通道可调（AM0），精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙

▶ 大样品夹具：支持 210×105 mm 叠层电池，夹具采用正背面金线挤压引出电极

▶ 环境可控：支持 15℃~100℃ 半导体控温，同时可在氮气环境（无水无氧）下测试

美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具，更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。

原文参考：Achieving 27.35% efficiency in perovskite-organic tandem solar cells by improving near-infrared absorption with a low-band-gap acceptor

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