溶剂滴涂调制 3D/2D 异质结构，助力高性能钙钛矿太阳能电池

有机 - 无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）虽光电转换效率（PCE）超 26%，但稳定性差限制其商业化。研究人员引入间脒基吡啶（MAP）配体及溶剂后滴涂步骤，构建有序 2D/3D 钙钛矿界面，提升了 PSCs 性能与稳定性，为其发展提供新策略。

　　在当今能源需求日益增长的时代，寻找高效且稳定的新型光伏材料成为科研领域的热门话题。有机 - 无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其超过 26% 的光电转换效率（PCE），成为极具潜力的光伏技术。然而，它在实际应用中却面临着严峻的挑战。

在实际运行条件下，三维（3D）钙钛矿由于晶界和界面处存在高密度的缺陷以及离子迁移现象，导致其稳定性较差，这严重阻碍了 PSCs 的商业化进程。为了解决这一问题，科研人员尝试在 3D 钙钛矿薄膜表面涂覆二维（2D）钙钛矿层，这种方法虽然能在一定程度上消除表面缺陷、阻止离子迁移，提高 PSCs 的稳定性和光电转换效率，但也带来了新的问题。自发形成的 2D 相在 3D 钙钛矿薄膜表面随机取向，会造成能量无序，影响电荷提取，而且难以获得结构有序的纯相 2D 钙钛矿层，这些问题限制了 PSCs 的性能提升和长期稳定性。

在此背景下，来自沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于通过优化 3D/2D 钙钛矿异质结构，提升 PSCs 的性能和稳定性，为其商业化应用提供可行方案。

研究人员通过一系列实验，取得了令人瞩目的成果。他们引入间脒基吡啶（MAP）配体和溶剂后滴涂步骤，成功在 3D 钙钛矿薄膜表面生成了高度有序的 2D 钙钛矿相。这一成果发表在《Nature Communications》上，为钙钛矿太阳能电池的发展开辟了新的道路。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。采用掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）分析不同配体对 3D/2D 相形成的影响；通过扫描电子显微镜（SEM）观察钙钛矿薄膜的微观结构演变；利用开尔文探针力显微镜（KPFM）评估 2D 钝化结构对表面电位分布的影响；借助时间分辨光致发光（TRPL）测量钙钛矿薄膜中载流子的寿命等。这些技术为研究提供了有力的支持，帮助研究人员深入了解材料的性能和结构变化。

下面详细介绍研究结果：

• 3D/2D 钙钛矿薄膜的制备过程：研究人员对比了 MAP 和传统的苯乙铵（PEA）配体，发现 MAP 配体在经过多次异丙醇（IPA）滴涂后，能形成更有序的 2D 钙钛矿相，且保持相纯度。而 PEA 配体在滴涂后，2D 相关峰消失，PbI₂峰增加，表明其易被溶解和去除。通过 SEM 观察发现，3D/2D-MAP 有序样品在滴涂处理后，表面 2D 钙钛矿相发生重组，片状结构消失；3D/2D-PEA 无序样品在滴涂后，表面形态恢复到对照样品状态，并出现富含 PbI₂的区域。HRSTEM 分析显示，滴涂后 2D-MAP 样品的 2D 相更加有序，与 3D 钙钛矿层平行且渗透结构更明显。
• 3D/2D 异质结构中的电场：KPFM 分析表明，有序的 3D/2D-MAP 样品表面粗糙度降低，2D 配体的高偶极矩增强了 3D/2D 钙钛矿薄膜的功函数（WF）变化，促进了电子提取。PFM 分析显示，有序的 3D/2D-MAP 样品具有更强的铁电性能，其内部电场增强，有利于电荷分离。通过截面 KPFM 可视化电场分布发现，有序的 3D/2D-MAP 基器件在钙钛矿 / C₆₀接触处的电位降和电场增强最大，且 3D/2D 结质量提高，界面缺陷减少。
• 光伏性能和电荷载流子动力学：采用倒置 p-i-n 电池结构制备的器件中，有序 2D-MAP 钝化层的电池最高光电转换效率达到 26.05%（反向扫描）/25.46%（正向扫描），而对照器件仅为 23.5%。有序 2D-MAP 钝化的电池开路电压（V_OC）提高了约 56mV，填充因子（FF）超过 85.5%，接近理论极限值。TRPL、PhotoCELIV 和 TPC 测量结果表明，有序 2D-MAP 钝化的电池中载流子寿命更长，电荷迁移率更高，电子转移 / 提取更高效。此外，研究还发现不同配体与钙钛矿层的反应性不同，IPA 后滴涂策略对其他含脒基或吡啶基的配体也有效，且该表面钝化策略对宽带隙钙钛矿同样适用，能显著提高电池的光电转换效率。
• 器件稳定性和离子迁移：在热稳定性测试中，85°C 黑暗和惰性气氛下，3D/2D-MAP 钝化的电池在 1200h 后光电转换效率下降约 14%，而对照器件下降超过 68%，2D-PEA 钝化的器件稳定性最差。在湿热条件（85°C，85% 相对湿度）下，3D/2D-MAP 器件在 1000h 后仍保留初始光电转换效率的 82%。室外测试中，封装的 3D/2D-MAP 器件在 840h 后保留初始光电转换效率的 75%。XRD 分析表明，MAP 诱导的 2D 结构在热老化后仍可辨别，而 PEA 基的 2D 结构则完全转变。热导纳光谱显示，MAP 处理使离子扩散的激活能从 237meV 提高到 319meV，有效抑制了离子迁移。

综上所述，研究人员成功引入 MAP 配体在 3D 钙钛矿薄膜表面生成相纯的 2D 钙钛矿（n = 1）钝化层，并通过溶剂后滴涂步骤使 2D 域高度有序排列，显著提高了其铁电性能，同时钝化了 3D/2D 界面处的载流子陷阱态。采用这种高度取向和相纯的 2D 钙钛矿钝化层的倒置 PSCs，填充因子达到 85.5%，最大光电转换效率超过 26%（认证值为 25.44%）。封装后的电池在湿热和室外测试中表现出良好的耐久性，分别在 1000h 和 840h 后保留了初始光电转换效率的 82% 和 75%。此外，配体后滴涂步骤可通过浸涂和刮涂沉积技术实现，证明了该方法的可扩展性。这项研究突出了配体与钙钛矿反应性的重要性，为开发高效的钙钛矿光伏器件提供了高质量的 3D/2D 钙钛矿界面，对推动钙钛矿太阳能电池的发展具有重要意义。