《Materials Today Sustainability》：Paradigm Shift in Perovskite Photovoltaics Scalability: Spray-Engineered 1D/3D Perovskite Interfaces Unlock Efficiency and Moisture Stability
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面对甲脒基钙钛矿太阳能电池在潮湿环境下相不稳定的关键瓶颈，本研究创新性地采用卷对卷兼容的喷涂工艺，在3D钙钛矿表面构建了高度耐湿的1D钙钛矿保护层。通过喷涂吡咯烷碘化物，形成了1D PyPbI3钙钛矿体层，显著提升了1D/3D器件的性能，实现了21.64%的创纪录光电转换效率。这项工作首次证明了气动喷涂1D钙钛矿体技术与高通量卷对卷工艺的兼容性，为钙钛矿光伏的大规模制造铺平了道路。
太阳能的利用是人类应对能源挑战的重要方向，而钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为后起之秀，以其优异的光电性能和低成本溶液加工潜力，被誉为光伏领域的“明日之星”。其中，甲脒铅碘（FAPbI3）这种三维（3D）钙钛矿材料，因其具有窄带隙、高吸收系数和优异的载流子传输能力，被认为是实现高效率电池的理想候选者。然而，这位“明星”材料有一个致命的弱点：它就像一个精致但怕潮的“瓷器”，在光照、热量，尤其是水汽（湿气）面前，其高效的黑色光活性相（α-FAPbI3）会极不稳定地转变为一种无用的黄色非光活性相（δ-FAPbI3）。这种相不稳定性严重阻碍了FAPbI3基钙钛矿太阳能电池的商业化进程，因为现实世界的户外应用不可避免地会暴露在多变的环境中。
为了解决这个“怕潮”的难题，科学家们尝试了各种策略。近年来，维度工程（Dimensionality Engineering）成为研究热点，其核心思想是给3D钙钛矿“穿”上一层保护“外衣”。其中，二维（2D）或准二维钙钛矿作为保护层被广泛研究，它们确实能提升稳定性，但有时会引入新的问题，比如形成量子阱结构导致带隙变宽，或者因有机-无机层间的介电失配而限制电荷传输。于是，研究者的目光投向了更低维度的材料，比如一维（1D）钙钛矿体（perovskitoids）。这类材料具有独特的结构，[PbI6]4-八面体可以通过边共享、面共享等多种方式连接成一维链，结构灵活且热力学稳定性高。但如何将这种1D保护层高效、均匀且不损伤底层3D钙钛矿地制备上去，并与规模化生产工艺兼容，仍是一个巨大挑战。
在此背景下，由Neetesh Kumar、Rishabh Sahani、Cheng-Yu Lai和Daniela R. Radu组成的研究团队在《Materials Today Sustainability》上发表了一项突破性研究。他们独辟蹊径，采用了一种与卷对卷（roll-to-roll）生产兼容的气动喷涂技术，成功在3D FAPbI3钙钛矿表面，原位生长出了一层均匀的1D PyPbI3（吡咯烷铅碘）钙钛矿体保护层，构建了新颖的1D/3D异质结。这项研究不仅显著提升了电池的效率和稳定性，更重要的是，展示了一条通向大规模生产高性能钙钛矿光伏组件的可行技术路径。
研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几个关键技术方法：首先，采用喷涂沉积技术制备了二氧化锡（SnO2）电子传输层和后续的1D PyPbI3层，这体现了工艺的可扩展性。其次，通过两步顺序沉积法制备了3D FAPbI3钙钛矿吸收层。表征方面，综合运用了X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察表面形貌，X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学组成和能级结构，紫外-可见吸收光谱和稳态/瞬态光致发光（PL/TRPL）光谱研究光电性能，并通过制备完整的n-i-p结构器件（ITO/SnO2/钙钛矿/空穴传输层/Ag）进行电流密度-电压（J-V）测试、外量子效率（EQE）测量、电化学阻抗谱（EIS）和空间电荷限制电流（SCLC）分析，以全面评估器件性能、缺陷密度和电荷传输动力学。
3.1. 喷涂沉积SnO2层的形貌、光学和成分分析
研究人员首先通过喷涂工艺在ITO衬底上制备了SnO2电子传输层。表征显示该薄膜致密均匀，粗糙度低，透光率高，且其能带结构适合作为电子传输层，为后续钙钛矿层的生长打下了良好基础。
3.2. 1D PyPbI3钙钛矿体的制备与光学性质
研究表明，体积庞大的吡咯烷阳离子（Py+）无法嵌入3D钙钛矿的A位点，从而驱动了维度降低，形成1D面共享八面体链结构的PyPbI3。光学测试显示，纯1D PyPbI3薄膜具有约2.7 eV的宽光学带隙，且其光稳定性远优于3D钙钛矿，在持续光照下吸收谱几乎不变，证明了其作为稳定保护层的潜力。
3.3. 1D PyPbI3和1D/3D钙钛矿层的结构、形貌和成分分析
XRD结果证实，在3D钙钛矿表面喷涂PyI后，出现了属于1D PyPbI3的特征衍射峰。SEM图像显示，处理后的样品表面出现了1D钙钛矿体特有的精细结构。XPS分析进一步提供了化学证据：C 1s和N 1s谱中出现了源自Py+的特征峰，而源自甲脒离子的峰强度减弱，表明Py+部分取代了表面的FA+，形成了1D PyPbI3覆盖层。
3.4. 光电与器件表征
研究发现，经3个循环喷涂（PyI-3C）处理的1D/3D薄膜，其光吸收边未变，但光致发光强度显著增强，荧光寿命延长，表明表面缺陷被有效钝化。AFM显示PyI-3C样品表面有适度的1D结构生长。XPS能级分析发现，PyI处理使钙钛矿的价带顶和导带底同步上移，减少了与空穴传输层之间的能级失配，有利于空穴提取。基于此优化的PyI-3C器件实现了21.64%的冠军光电转换效率，同时开路电压、短路电流密度和填充因子均得到提升，并且电流回滞现象显著减小。EQE积分电流与J-V测试结果吻合。性能提升归因于缺陷钝化和界面优化，EIS和SCLC测试证实PyI-3C器件具有更高的电荷复合电阻和更低的陷阱态密度。更重要的是，稳定性测试表明，PyI-3C器件在连续光照下能维持稳定的输出，在潮湿空气中存放250小时后仍能保持78%的初始效率，远优于参照器件（47%）。在惰性气氛中存储也显示出更优异的长期稳定性。
结论与讨论
本研究成功证明，利用简易的喷涂方法在3D FAPbI3钙钛矿表面沉积吡咯烷碘化物，能够促进形成1D PyPbI3保护层。这层保护层通过两种关键机制发挥作用：一是其自身致密的结构和强的热力学稳定性，能有效阻隔水分和氧气的侵入，充当物理屏障；二是Py+的氨基基团与钙钛矿表面的Pb2+配位，钝化了表面缺陷和晶界，降低了非辐射复合，优化了界面能级对齐。两者的协同作用，在基本不牺牲光吸收性能的前提下，同时大幅提升了器件的效率和稳定性。
该工作的意义尤为深远。首先，它报道了通过喷涂PyI获得的21.64%的光电转换效率，这是目前利用喷涂技术对FAPbI3钙钛矿进行PyI改性所报道的最高效率之一。其次，也是最具突破性的一点，这项研究首次成功演示了与高通量卷对卷（roll-to-roll）加工兼容的气动喷涂1D钙钛矿体技术。与传统旋涂、滴涂等可能损伤底层薄膜的工艺相比，喷涂技术更适合大面积、连续化的生产。因此，这项工作不仅仅是一项实验室的性能优化，更是钙钛矿光伏从“实验室冠军”走向“产业巨头”道路上的一次重要范式转变，为开发高效、稳定且可大规模制造的钙钛矿太阳能电池提供了切实可行的创新方案。
