研究背景

3D/低維鈣鈦礦層構(gòu)成的維度異質(zhì)結(jié)，是提升鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）性能的有效手段，可借助化學(xué)鈍化與場效應(yīng)鈍化作用改善表面缺陷問題。

關(guān)鍵問題

當(dāng)前多維度異質(zhì)結(jié)開發(fā)存在兩大核心難題：

1、傳統(tǒng)配體化學(xué)穩(wěn)定性欠佳

單價銨鹽配體與鈣鈦礦晶格的配位結(jié)合力較弱，且酸離解常數(shù)（pKa）偏低，在熱或光照壓力下易脫質(zhì)子并引發(fā)離子遷移，加速3D/低維界面的退化進(jìn)程。

2、低維結(jié)構(gòu)形成機(jī)制模糊

脒基配體雖能誘導(dǎo)生成1D或2D結(jié)構(gòu)，但決定其維度的分子構(gòu)效關(guān)系尚不明確；同時1D結(jié)構(gòu)的各向異性會導(dǎo)致表面覆蓋不均，難以實現(xiàn)有效的缺陷鈍化與能級對齊。

新思路

針對上述問題，KAUST太陽能中心Thomas D. Anthopoulos與香港中文大學(xué)Randi Azmi團(tuán)隊提出可控的1D到2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變策略，通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)配體構(gòu)象，調(diào)控氫鍵、π-π堆疊及堿性，以闡明分子結(jié)構(gòu)、界面相互作用與所得維度間的關(guān)聯(lián)。1D脒基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的幾何各向異性明顯，會阻礙表面均勻覆蓋與缺陷鈍化；而2D脒基鈣鈦礦能形成連續(xù)均勻的界面層，實現(xiàn)更優(yōu)的缺陷鈍化與能級對齊效果。經(jīng)維度調(diào)控，倒置3D/2D脒基鈣鈦礦太陽能電池在1.1平方厘米面積上實現(xiàn)25.4%的穩(wěn)態(tài)認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率，且在85°C、1個太陽連續(xù)運行1100小時后仍保持初始效率的95%以上。

技術(shù)方案

1、配體選擇與維度調(diào)控機(jī)制分析

借助DFT計算與實驗研究發(fā)現(xiàn)，多價脒基配體可通過氫鍵與π-π堆疊的競爭作用調(diào)控鈣鈦礦維度，其中m-APY能形成2D結(jié)構(gòu)，化學(xué)穩(wěn)定性顯著提升。

2、3D/LD鈣鈦礦性質(zhì)表征

2D-m-APY鈍化層可形成連續(xù)均勻的致密膜層，降低表面粗糙度并優(yōu)化電導(dǎo)率分布，相比1D配體更利于載流子傳輸效率的提升。

3、化學(xué)與鈍化效應(yīng)研究

含吡啶環(huán)的配體（如m-APY）在旋涂和熱退火過程中表現(xiàn)出更強(qiáng)的PL增強(qiáng)效果，能有效鈍化缺陷位點；同時其化學(xué)穩(wěn)定性更高，可優(yōu)化能級對齊并延長載流子壽命。

4、器件性能與穩(wěn)定性測試

2D-m-APY修飾的鈣鈦礦太陽能電池在1.1 cm2面積上效率達(dá)25.4%，6.8 cm2組件效率為24.2%；耐熱性優(yōu)異，85°C老化1200小時后效率仍超84%。

技術(shù)優(yōu)勢

1、提出堿性引導(dǎo)的構(gòu)象調(diào)節(jié)策略

通過精準(zhǔn)調(diào)控吡啶環(huán)氮原子的位置與堿性，以密集氫鍵網(wǎng)絡(luò)取代強(qiáng)π-π堆疊，成功實現(xiàn)從1D到2D結(jié)構(gòu)的可控轉(zhuǎn)變。

2、實現(xiàn)高效超穩(wěn)的倒置組件

利用2D脒基鈍化層，在倒置鈣鈦礦太陽能電池及組件中均取得創(chuàng)紀(jì)錄效率，且耐熱耐光性能卓越，解決了大面積制備中的擴(kuò)展損失問題。

技術(shù)細(xì)節(jié)

配體選擇與維度調(diào)控機(jī)制

研究者結(jié)合密度泛函理論（DFT）計算與單晶生長實驗，分析多價脒基配體對低維鈣鈦礦維度的調(diào)控作用。實驗選用單價銨鹽（如BZAM）和多價脒基（如BZA、m-APY）等系列配體，發(fā)現(xiàn)脒基配體因共振穩(wěn)定的平面幾何結(jié)構(gòu)，通常傾向形成1D結(jié)構(gòu)（π–π堆疊在1D排列中能量更優(yōu)），但m-APY（間位脒基吡啶）卻呈現(xiàn)2D形成傾向。這是由于m-APY中吡啶氮原子堿性較強(qiáng)，且與脒基的空間分離減少位阻，使密集分子間氫鍵網(wǎng)絡(luò)取代強(qiáng)π–π堆疊，穩(wěn)定了Ruddlesden–Popper型2D結(jié)構(gòu)。此外，脒基配體的酸離解常數(shù)（pKa）普遍高于傳統(tǒng)銨鹽，抗脫質(zhì)子能力更強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性顯著提升。這種通過調(diào)節(jié)吡啶氮原子位置與堿性平衡氫鍵和π–π堆疊的策略，為鈣鈦礦維度的精確控制提供了新的分子準(zhǔn)則。

圖 LD鈣鈦礦封端的配體選擇

3D/LD鈣鈦礦性質(zhì)表征

通過GIWAXS和SEM等手段，對比1D和2D鈍化層對3D鈣鈦礦薄膜的影響。GIWAXS結(jié)果顯示，m-APY形成的2D相位與基底高度平行排列，取向性極佳；1D配體（如BZA、o-APY）易在3D晶粒表面形成粗大棒狀晶體，導(dǎo)致表面粗糙度增加且覆蓋不均，而2D-m-APY層能形成連續(xù)均勻的致密鈍化膜，有效消耗表面過剩PbI?。AFM測試證實，2D鈍化層可將表面均方根粗糙度從19.94 nm降至16.16 nm；C-AFM電流圖顯示，2D-m-APY異質(zhì)結(jié)提供更均勻的橫向電導(dǎo)率分布，消除表面缺陷導(dǎo)致的非均勻電流密度，利于載流子高效提取與傳輸。

圖 3D/LD鈣鈦礦性質(zhì)

化學(xué)與鈍化效應(yīng)分析

原位熒光光譜（PL）監(jiān)測表明，含吡啶環(huán)的配體（m-APY、m-AMPY）在旋涂過程中PL增強(qiáng)更顯著，證明吡啶氮原子能有效鈍化未配位的Pb2?缺陷位點；熱退火時，m-APY基薄膜保持更高熒光強(qiáng)度，鈍化效果更穩(wěn)固。XPS分析顯示，脒基配體（m-APY）比傳統(tǒng)銨鹽配體（m-AMPY）化學(xué)穩(wěn)定性更高，熱壓力下不易脫質(zhì)子或與晶格中FA?發(fā)生副反應(yīng)。此外，UPS和KPFM測量表明，2D鈍化層引入誘導(dǎo)更強(qiáng)n型特性，優(yōu)化鈣鈦礦與電子傳輸層（C??）的能級對齊，提升器件填充因子（FF）；時間分辨熒光光譜（TRPL）驗證，m-APY處理后薄膜載流子壽命顯著延長，界面缺陷鈍化能力優(yōu)異。

圖 化學(xué)和鈍化效應(yīng)

器件性能與穩(wěn)定性測試

基于維度調(diào)控策略，研究者制備出高性能倒置鈣鈦礦太陽能電池及組件。2D-m-APY修飾的器件在1.1 cm2面積上實現(xiàn)25.4%的穩(wěn)態(tài)認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率；4 cm×4 cm基底上的6.8 cm2小組件效率達(dá)24.2%，擴(kuò)展損失極低。穩(wěn)定性方面，m-APY基器件耐熱性強(qiáng)，85°C熱老化1200小時后仍保持>84%的初始效率，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)配體器件。TOF-SIMS深度剖析證實，老化后m-APY仍穩(wěn)定存在于界面，未發(fā)生明顯離子擴(kuò)散或結(jié)構(gòu)坍塌；在1個太陽光照、85°C及>40%濕度的雙重壓力下，封裝器件持續(xù)運行1100小時后效率保持率超95%。

圖 光伏性能和穩(wěn)定性

展望

該研究通過分子工程精準(zhǔn)調(diào)控脒基配體的構(gòu)象與堿性，成功實現(xiàn)從1D到2D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種穩(wěn)定的2D脒基鈍化層不僅能實現(xiàn)優(yōu)異的界面缺陷鈍化與能級匹配，還顯著增強(qiáng)器件在極端熱、光環(huán)境下的穩(wěn)定性。此策略為開發(fā)高效、長壽、可擴(kuò)展的倒置鈣鈦礦太陽能組件提供了通用分子設(shè)計準(zhǔn)則，推動鈣鈦礦光伏技術(shù)向商業(yè)化應(yīng)用邁進(jìn)關(guān)鍵一步。

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