【复材前沿】Science新突破：钙钛矿太阳能电池维度调控实现高效超稳性能
研究背景
3D/低维钙钛矿层构成的维度异质结，是提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能的有效手段，可借助化学钝化与场效应钝化作用改善表面缺陷问题。
关键问题
当前多维度异质结开发存在两大核心难题：
1、传统配体化学稳定性欠佳
单价铵盐配体与钙钛矿晶格的配位结合力较弱，且酸离解常数（pKa）偏低，在热或光照压力下易脱质子并引发离子迁移，加速3D/低维界面的退化进程。
2、低维结构形成机制模糊
脒基配体虽能诱导生成1D或2D结构，但决定其维度的分子构效关系尚不明确；同时1D结构的各向异性会导致表面覆盖不均，难以实现有效的缺陷钝化与能级对齐。
新思路
针对上述问题，KAUST太阳能中心Thomas D. Anthopoulos与香港中文大学Randi Azmi团队提出可控的1D到2D结构转变策略，通过系统调节配体构象，调控氢键、π-π堆叠及碱性，以阐明分子结构、界面相互作用与所得维度间的关联。1D脒基钙钛矿结构的几何各向异性明显，会阻碍表面均匀覆盖与缺陷钝化；而2D脒基钙钛矿能形成连续均匀的界面层，实现更优的缺陷钝化与能级对齐效果。经维度调控，倒置3D/2D脒基钙钛矿太阳能电池在1.1平方厘米面积上实现25.4%的稳态认证能量转换效率，且在85°C、1个太阳连续运行1100小时后仍保持初始效率的95%以上。
技术方案
1、配体选择与维度调控机制分析
借助DFT计算与实验研究发现，多价脒基配体可通过氢键与π-π堆叠的竞争作用调控钙钛矿维度，其中m-APY能形成2D结构，化学稳定性显著提升。
2、3D/LD钙钛矿性质表征
2D-m-APY钝化层可形成连续均匀的致密膜层，降低表面粗糙度并优化电导率分布，相比1D配体更利于载流子传输效率的提升。
3、化学与钝化效应研究
含吡啶环的配体（如m-APY）在旋涂和热退火过程中表现出更强的PL增强效果，能有效钝化缺陷位点；同时其化学稳定性更高，可优化能级对齐并延长载流子寿命。
4、器件性能与稳定性测试
2D-m-APY修饰的钙钛矿太阳能电池在1.1 cm²面积上效率达25.4%，6.8 cm²组件效率为24.2%；耐热性优异，85°C老化1200小时后效率仍超84%。
技术优势
1、提出碱性引导的构象调节策略
通过精准调控吡啶环氮原子的位置与碱性，以密集氢键网络取代强π-π堆叠，成功实现从1D到2D结构的可控转变。
2、实现高效超稳的倒置组件
利用2D脒基钝化层，在倒置钙钛矿太阳能电池及组件中均取得创纪录效率，且耐热耐光性能卓越，解决了大面积制备中的扩展损失问题。
技术细节
配体选择与维度调控机制
研究者结合密度泛函理论（DFT）计算与单晶生长实验，分析多价脒基配体对低维钙钛矿维度的调控作用。实验选用单价铵盐（如BZAM）和多价脒基（如BZA、m-APY）等系列配体，发现脒基配体因共振稳定的平面几何结构，通常倾向形成1D结构（π–π堆叠在1D排列中能量更优），但m-APY（间位脒基吡啶）却呈现2D形成倾向。这是由于m-APY中吡啶氮原子碱性较强，且与脒基的空间分离减少位阻，使密集分子间氢键网络取代强π–π堆叠，稳定了Ruddlesden–Popper型2D结构。此外，脒基配体的酸离解常数（pKa）普遍高于传统铵盐，抗脱质子能力更强，化学稳定性显著提升。这种通过调节吡啶氮原子位置与碱性平衡氢键和π–π堆叠的策略，为钙钛矿维度的精确控制提供了新的分子准则。
图 LD钙钛矿封端的配体选择
3D/LD钙钛矿性质表征
通过GIWAXS和SEM等手段，对比1D和2D钝化层对3D钙钛矿薄膜的影响。GIWAXS结果显示，m-APY形成的2D相位与基底高度平行排列，取向性极佳；1D配体（如BZA、o-APY）易在3D晶粒表面形成粗大棒状晶体，导致表面粗糙度增加且覆盖不均，而2D-m-APY层能形成连续均匀的致密钝化膜，有效消耗表面过剩PbI₂。AFM测试证实，2D钝化层可将表面均方根粗糙度从19.94 nm降至16.16 nm；C-AFM电流图显示，2D-m-APY异质结提供更均匀的横向电导率分布，消除表面缺陷导致的非均匀电流密度，利于载流子高效提取与传输。
图 3D/LD钙钛矿性质
化学与钝化效应分析
原位荧光光谱（PL）监测表明，含吡啶环的配体（m-APY、m-AMPY）在旋涂过程中PL增强更显著，证明吡啶氮原子能有效钝化未配位的Pb²⁺缺陷位点；热退火时，m-APY基薄膜保持更高荧光强度，钝化效果更稳固。XPS分析显示，脒基配体（m-APY）比传统铵盐配体（m-AMPY）化学稳定性更高，热压力下不易脱质子或与晶格中FA⁺发生副反应。此外，UPS和KPFM测量表明，2D钝化层引入诱导更强n型特性，优化钙钛矿与电子传输层（C₆₀）的能级对齐，提升器件填充因子（FF）；时间分辨荧光光谱（TRPL）验证，m-APY处理后薄膜载流子寿命显著延长，界面缺陷钝化能力优异。
图 化学和钝化效应
器件性能与稳定性测试
基于维度调控策略，研究者制备出高性能倒置钙钛矿太阳能电池及组件。2D-m-APY修饰的器件在1.1 cm²面积上实现25.4%的稳态认证能量转换效率；4 cm×4 cm基底上的6.8 cm²小组件效率达24.2%，扩展损失极低。稳定性方面，m-APY基器件耐热性强，85°C热老化1200小时后仍保持>84%的初始效率，远优于传统配体器件。TOF-SIMS深度剖析证实，老化后m-APY仍稳定存在于界面，未发生明显离子扩散或结构坍塌；在1个太阳光照、85°C及>40%湿度的双重压力下，封装器件持续运行1100小时后效率保持率超95%。
图 光伏性能和稳定性
展望
该研究通过分子工程精准调控脒基配体的构象与碱性，成功实现从1D到2D钙钛矿结构的转变。这种稳定的2D脒基钝化层不仅能实现优异的界面缺陷钝化与能级匹配，还显著增强器件在极端热、光环境下的稳定性。此策略为开发高效、长寿、可扩展的倒置钙钛矿太阳能组件提供了通用分子设计准则，推动钙钛矿光伏技术向商业化应用迈进关键一步。
本文仅代表作者观点，版权归原创者所有，如需转载请在文中注明来源及作者名字。
免责声明：本文系转载编辑文章，仅作分享之用。如分享内容、图片侵犯到您的版权或非授权发布，请及时与我们联系进行审核处理或删除，您可以发送材料至邮箱：service@tojoy.com