钙钛矿太阳能电池编辑亮点2024-2025

《ACS Applied Energy Materials》：Editor’s Highlights in Perovskite Solar Cells 2024?2025

　　

《ACS Applied Energy Materials》发表涵盖能源材料全光谱的研究，从电化学储能和光伏到催化、热能、氢技术和新兴能源材料。这种广度是该期刊的最大优势之一，促进了跨学科创新，同时为多样化的研究社区提供了平台。与此同时，每年发表的大量且广泛的主题使读者难以识别其兴趣领域内特别值得注意的贡献。为了帮助读者浏览这一不断增长的文献，研究人员推出了编辑亮点系列。每篇社论聚焦于一个选定的研究主题，并展示发表在《ACS Applied Energy Materials》上的代表性论文，这些论文说明了重要的科学进展、新兴趋势和未来机遇。这些社论并非提供全面综述，而是提供对近期发展的编辑视角，并作为该期刊发表的一些有影响力研究的策划指南。本首期聚焦于钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs），这是一个快速发展的领域，持续推动材料化学、器件工程和可再生能源技术的创新。钙钛矿太阳能电池已成为能源材料中最具活力的研究领域之一。在过去十年中，成分工程、界面设计和器件架构的快速进步推动了功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）接近晶体硅的水平，同时为柔性、叠层和半透明光伏开辟了新机遇。最近，研究已扩展到效率之外，以解决长期稳定性、可扩展制造、环境可持续材料以及对降解机制的基本理解。下文重点介绍的论文说明了这些不断发展的研究方向，并展示了发表在《ACS Applied Energy Materials》上的钙钛矿光伏研究的广度。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因高效率备受关注，但铅毒性、长期稳定性不足和可扩展制造困难制约其商业化。为应对这些挑战，研究需从单纯追求效率转向可持续性、稳定性和制造兼容性。《ACS Applied Energy Materials》作为能源材料领域重要期刊，推出编辑亮点系列，本期聚焦PSCs，通过精选代表性论文，总结该领域近期研究趋势。这些论文涵盖无铅材料、界面工程、宽禁带叠层电池、可扩展制造、基础理解及计算设计六大方向，展示了从基础科学到应用转化的最新进展，强调未来PSCs的成功将依赖于环境可持续材料、先进界面工程、可扩展制造、机理理解和多维材料设计的协同整合，为读者提供该领域研究指南并促进跨学科创新。

主要关键技术方法：无铅方向采用密度泛函理论（DFT）计算筛选、MXene修饰空穴传输层、分子配位化学调控结晶；界面工程利用量子点、双功能有机分子、纤维素纳米晶体、单分子层等进行钝化和界面修饰；宽禁带叠层通过溴源选择、三价金属氯化物掺杂、自组装单分子层（SAM）及表面钝化实现高效器件；可扩展制造发展旋涂、真空热蒸发、杂化化学气相沉积（H-CVD）等技术，并引入内扩散屏障解决热降解；基础理解运用扫描探针显微镜（SPM）、第一性原理计算、原位X射线散射等表征晶格压缩、缺陷复合和降解机制；计算设计通过高通量DFT筛选和器件模拟优化材料与传输层。

研究结果：
（1）无铅与可持续钙钛矿：综述指出Sn、Ge、Sb、Bi基及双钙钛矿是潜在替代材料，但性能差距仍大。实验方面，MXene嵌入PEDOT:PSS改善了能级排列和稳定性；2-吡啶基硫脲调控FASnI₃结晶和缺陷钝化，提高效率和稳定性；锑基Cs₃Sb₂I₉通过锍基处理抑制非辐射复合。
（2）界面与缺陷工程：MAPbI₃量子点作为中间层促进空穴提取和界面钝化；(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷实现双向钝化，同时修复CuSCN/钙钛矿界面并钝化缺陷；纤维素纳米晶体修复缺陷并稳定薄膜；二胺添加剂同时减缓热载流子冷却、改善结晶并抑制缺陷复合；二维钙钛矿种子引导晶体生长，增大晶粒尺寸；双功能有机分子同时作为空穴传输材料和界面钝化剂；硫氰酸甲铵和丁酸甲铵协同调控结晶和钝化空位缺陷；原子层沉积SnO_x的界面化学理解；双胍盐分子调控结晶并钝化缺陷；中性配体诱导低维重构；大阳离子分子中间层增强电荷提取；低成本无掺杂喹喔啉基空穴传输材料适用于室内外应用。
（3）宽禁带与叠层电池：选择合适的溴源改善结晶并降低缺陷密度；三价金属氯化物（如InCl₃）抑制卤化物偏析并改善电荷转移；有机中间层用于混合Pb/Sn卤化物钙钛矿的空穴传输；混合自组装单分子层和表面钝化实现1.67 eV高效p-i-n器件；逐层处理与三元体系结合抑制电荷复合，实现21%效率的集成钙钛矿/有机太阳能电池。
（4）可扩展加工与制造：简易旋涂制备大面积超薄柔性半透明器件；内扩散屏障使器件耐受真空层压条件；热蒸发技术制备均匀高质量钙钛矿薄膜；旋涂温度控制形貌决定器件性能；垂直组分异质性导致全无机CsPbIBr₂不稳定；溴辅助杂化化学气相沉积改善结晶并抑制复合。
（5）基础材料理解：扫描探针显微镜比较多种钙钛矿的机械和电学性质，揭示与结构稳健性和稳定性的关系；第一性原理模拟表明晶格压缩抑制卤素离子迁移和相分离；综述多维材料工程策略（成分、添加剂、配体、界面）；钾掺杂与表面钝化协同稳定无机相并改善性能；铋合金化引入深能级缺陷降低性能，为合金设计提供警示；薄膜厚度影响二维钙钛矿的量子限域和有机-无机相互作用；冠醚分子通过第一性原理计算消除电子活性缺陷复合物；原位X射线散射关联结构演变与湿度诱导降解。
（6）下一代钙钛矿的计算设计：高通量DFT计算识别近200种无铅杂化卤化物钙钛矿；器件模拟优化铯金铋氯双钙钛矿的传输层，实现稳定无铅太阳能电池。

总结讨论部分，翻译研究结论部分（Outlook）：本首期编辑亮点在钙钛矿太阳能电池中重点介绍的论文共同展示了该领域的显著广度和快速演变。虽然创纪录的效率