《Cell Press Blue》：Solvent engineering with hexafluorobenzene for reproducible 2D/3D perovskite heterojunction solar cells
编辑推荐：
在三维（3D）钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PSCs）的接触界面处插入二维（2D）钙钛矿层可减少表面缺陷并抑制离子迁移。然而，这些2D层常因过量有机配体而呈现不均匀性，从而危害电荷提取和器件可重复性。本研究中，研究人员引入一
在三维（3D）钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PSCs）的接触界面处插入二维（2D）钙钛矿层可减少表面缺陷并抑制离子迁移。然而，这些2D层常因过量有机配体而呈现不均匀性，从而危害电荷提取和器件可重复性。本研究中，研究人员引入一种使用异丙醇（isopropanol, IPA）和六氟苯（hexafluorobenzene, HFB）的二元溶剂后处理方法，该方法可选择性地去除未结合配体，同时促进形成均匀的2D钙钛矿层。通过溶解度筛选和薄膜表征的指导，研究人员确定了一种IPA:HFB配比，该配比在有效去除残余苯乙基碘化铵（phenethylammonium iodide, PEAI）的同时，最大限度地减少2D相的溶解。经处理的2D/3D薄膜展现出改善的光电特性。因此，倒置PSCs实现了26.10%的冠军功率转换效率（power-conversion efficiency, PCE）。加速热应力（ISOS-D-2）和光热应力（ISOS-L-2）测试分别显示，在超过7,200小时后效率保持约67%，在超过1,000小时后保持约80%。这种配体无关的溶剂清洗策略补充了配体反应性方法，并可推广至其他间隔阳离子，为钙钛矿薄膜的维度工程提供了一条广泛适用的途径。
**论文解读：基于六氟苯的二元溶剂工程实现高效稳定且可重复的2D/3D钙钛矿异质结太阳能电池**
**一、研究背景与问题**
金属卤化物钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PSCs）在近年来取得了举世瞩目的进展，其功率转换效率（power-conversion efficiency, PCE）已可与成熟的晶硅电池相媲美。在提升器件性能与稳定性的诸多策略中，在三维（3D）钙钛矿薄膜表面引入 bulky 有机配体以形成二维（2D）/3D异质结，已成为一项基准制造步骤。该策略能有效钝化3D钙钛矿薄膜的表面缺陷、抑制碘离子迁移并增强薄膜的结构稳定性。然而，这种溶液后处理方法常面临若干挑战：有机配体与3D钙钛矿基质的反应性有限、空间位阻效应、阳离子交换速率不匹配以及配体结合力较弱等，导致表面残留大量未反应的过量配体，并形成不同维度（n = 1–3）混合的2D钙钛矿层。这些未反应配体与不均匀的2D层具有多重危害：它们阻抗电荷提取，削弱钝化效果，且其吸湿性为水分渗透提供通道，在高温下易分解产生挥发性产物，从而加速器件退化。已有研究尝试通过二次溶剂清洗来去除或重建过量配体，例如使用异丙醇（isopropanol, IPA），但IPA的强极性会溶解大多数常用的配体（如苯乙胺[PEA]、丁胺[BA]、辛胺[OA]）及其形成的2D相，反而在钙钛矿表面引入新的缺陷。尽管采用具有多锚定基团的特定配体（如 amidinopyridinium）可增强抗溶剂冲洗能力，但该方法高度依赖特定配体，缺乏普适性。因此，开发一种通用的溶剂清洗策略，在选择性去除过量配体的同时，保持2D/3D异质结的完整性和均匀性，对于推进2D/3D钙钛矿结构的功能性和可重复性至关重要。
**二、研究方法概述**
针对上述问题，研究人员引入了一种由IPA和六氟苯（hexafluorobenzene, HFB）组成的二元溶剂清洗策略。该策略的核心在于利用两种溶剂互补的物理化学性质：IPA作为极性溶剂负责溶解和去除未结合的过量有机配体；HFB作为一种非极性、具有正极化π环的溶剂，能与卤化物形成阴离子-π配合物，并通过π-π堆积与芳香族有机阳离子相互作用，从而稳定2D钙钛矿相并防止过度清洗。研究首先依据介电常数和Gutmann供体数筛选溶剂，通过溶解度测试和傅里叶变换红外光谱（FTIR）确定了IPA:HFB（25:75 v/v）为最佳选择性清洗配比。随后，研究人员将该策略应用于倒置PSCs的2D/3D薄膜后处理，并结合X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光（PL）及荧光寿命成像等多种表征手段研究了处理前后薄膜的结构、形貌与光电特性。样本基于ITO/自组装单分子层（SAMs）/钙钛矿/2D/C60/BCP/Ag器件结构制备，电池有效面积为0.1 cm2。
**三、主要研究结果**
**二元溶剂相互作用的基础原理**
研究人员基于溶剂的介电常数（ε）和供体数（DN）对多种溶剂（MeCN、IPA、CBZ、CHF、HFB）进行了筛选。发现高极性溶剂（如IPA）虽能溶解PEAI，但也会过度侵蚀2D晶体和3D钙钛矿粉体；非极性溶剂HFB则几乎不与这些固体作用，导致清洗不足。溶解度实验证实，IPA:HFB（25:75 v/v）混合物能选择性溶解PEAI粉末，同时基本保持PEA?PbI?（n=1）单晶和3D钙钛矿粉体的完整性，确立了该配比为选择性清洗窗口。
**溶剂滴涂效应与2D钙钛矿重构**
将IPA:HFB（25:75）应用于2D-PEA/3D薄膜后处理，XRD结果显示该处理有效去除了过量的PEAI，同时保留了2D相的特征衍射峰。相比之下，纯IPA清洗几乎完全剥离了2D相并导致PbI?富集，而纯HFB则无法去除过量配体。XPS分析表明，经过IPA:HFB清洗后，源自PEA的C–N信号强度显著降低（C-N/FA-N比从1.01降至0.35），证实过量配体被有效去除。SEM和TEM观察到，IPA:HFB清洗后薄膜表面形貌更均匀，并在3D钙钛矿与C??界面处保留了约15 nm厚的连续2D层。PL mapping结果显示，该处理使2D相分布更为均匀，显著抑制了非辐射复合。
**2D/3D薄膜的光电特性**
开尔文探针力显微镜（KPFM）测试表明，IPA:HFB清洗后薄膜的表面功函数（WF）从3D控制膜的4.52 eV提高至4.77 eV，且分布更窄，这得益于表面陷阱态的有效抑制。电容-频率测试显示，处理后薄膜在低频区的电容值最低（~11 nF），表明可移动离子浓度和表面缺陷密度显著降低。电容-电压曲线进一步显示，处理后的器件具有更高的内建电势（Vbi = 1.15 V）。
**器件性能与分析**
将优化后的工艺应用于倒置PSCs，IPA:HFB（25:75）清洗的器件实现了26.10%的冠军PCE，开路电压（VOC）为1.185 V，填充因子（FF）为85.74%。器件统计数据显示，该处理的器件性能分布集中，可重复性良好。准费米能级分裂（QFLS）分析表明，该策略在维持3D钙钛矿体相高质量（QFLS ~1.24 eV）的同时，有效抑制了C??/2D界面诱导的非辐射复合。空间电荷限制电流（SCLC）测量证实处理后的器件陷阱态密度更低，瞬态光电流（TPC）测试则显示其电荷提取更高效。
**稳定性研究**
在多种ISOS协议下评估了器件稳定性。在65°C暗态热老化（ISOS-D-2）条件下，处理后的器件在7,200小时（约10个月）后仍保持约67%的初始PCE，远超对照组（1,900小时保持~55-60%）。在65°C、1个太阳光、最大功率点追踪（MPPT, ISOS-L-2）条件下，处理后的器件在1,000小时后保持约80%的初始PCE。结构和形貌分析表明，未经处理的2D/3D薄膜中热不稳定的过量PEAI会重构为高n相，进而加速3D晶格中卤化物的损失和PbI?的形成；而IPA:HFB清洗有效去除了不稳定的有机/碘化物残留，留下更稳定的薄层2D界面，从而减缓了钙钛矿的退化动力学。
**四、总结与结论**
本研究建立了一种基于IPA:HFB（25:75）二元溶剂的普适性后处理策略。该方法通过协同利用IPA的溶解能力和HFB对芳香族阳离子及卤化物的相互作用，实现了对2D盖层钙钛矿的精准调控：既能选择性去除弱结合的过量有机阳离子，又能完整保留2D钝化相并维持3D钙钛矿体相的结构完整性。结构、形貌及光电表征共同证实了优化界面具有更低的缺陷态密度、增强的电荷转移以及显著抑制的非辐射复合。基于此策略制备的器件实现了高达26.10%的PCE以及优异的运行稳定性。该方法对不同2D配体（PEA、BA、OA）具有广泛兼容性，并展现出极高的器件可重复性。通过在钙钛矿薄膜中实现均匀且稳定的2D/3D异质结，该二元溶剂工程策略为开发高效、耐久的钙钛矿光伏组件提供了可拓展的新路径。
