资讯：宋延林/汪洋/周欢萍，Nature Synthesis

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）已达到 26.15%。二维（2D）钙钛矿作为钝化层，因其能够有效抑制离子迁移、调节能级、钝化缺陷和提高湿度稳定性，而被广泛应用于提升PSC的效率和长期稳定性。

关键问题

然而，2D 钙钛矿在光伏领域的应用主要存在以下问题：

1、2D钙钛矿的自由电荷载流子的生成和收集受限

2D 钙钛矿自身的高激子结合能及其内部混合量子阱尺寸，限制了自由电荷载流子的有效生成和收集效率。

2、实现2D钙钛矿精确的维度调控仍然是一个重大难题

传统的钝化方法中，具有高配体反应性的钝化分子易于渗透到块体3D钙钛矿薄膜中，导致形成混合维度的2D钙钛矿相。此外，这些方法所使用的溶剂可能引起3D钙钛矿薄膜的表面重构和化学降解，从而阻碍PSC性能的进一步提升。

新思路

有鉴于此，中科院化学所汪洋、宋延林和北大周欢萍等人利用非侵入性表面反应策略，通过在温度和施加压力下精确调节阳离子表面扩散来触发钝化分子和3D钙钛矿之间的界面固体反应，从而实现具有明确尺寸的纯相2D钙钛矿接触层。这种非侵入性表面反应方法与大多数Ruddlesden-Popper分子兼容，并可防止在基于溶液的工艺中通常观察到的渐进相变。所制备的冠军器件(n-i-p型)经过1200 h的操作稳定性测试(ISOS-L-1)和T₈₇为1145 h (ISOS-L-2 )后，能量转换效率为26.13 % (认证效率25.66 % , 0.085 cm²)而没有效率损失。微型模块(n-i-p型)实现了23.03 % (认证准稳态功率转换效率为22.32 % ,孔径面积为13.94 cm²)的效率，T₈₀为1200 h。

技术方案：

1、阐述了 NSR 方法如何实现钙钛矿的维度控制

NSR方法通过均匀界面工程和精确温压调控，实现钙钛矿维度控制，生成相纯2D钙钛矿钝化层。GIWAXS和高分辨电镜分析证实其维度明确、表面更平坦。

2、研究了NSR扩散实现均匀界面钝化的机制

作者研究了NSR扩散实现均匀界面钝化，发现温度是关键因素。NSR方法在垂直和横向均实现均匀的2D钝化层，大面积薄膜光致发光性能显著提升，缺陷密度降低。

3、分析了NSR处理的2D钙钛矿的光电性能

NSR处理的2D钙钛矿光电性能优异。XPS和TOF-SIMS显示钝化分子不扩散，光致发光增强，非辐射复合抑制，界面电荷动力学提升，载流子积累减少。

4、评估了NSR处理的钙钛矿器件的效率和稳定性

作者证实了NSR处理的钙钛矿器件效率高、稳定性好。NSR通过相纯2D钝化层抑制离子迁移，稳定界面，提升稳定性，为钙钛矿光伏商业化提供新途径。

技术优势：

1、开发了无溶剂非侵入性表面反应（NSR）策略

该方法通过精确调控温度和压力下的阳离子表面扩散，而非传统溶剂渗透，有效地避免了溶液法中常见的混合维度相变问题，成功制备出具有明确单一n值（n=2）的相纯2D钙钛矿接触层。

2、实现了卓越的器件性能和长期稳定性

采用NSR策略的冠军器件实现了26.13%的超高PCE（认证效率 25.66%），并在长达1200小时操作稳定性测试后无效率损失，T₈₇达1145小时。此外，迷你组件也取得了23.03%的效率和1,200小时T₈₀稳定性。

技术细节

钙钛矿的维度通过NSR表面扩散进行控制

NSR方法通过均匀界面工程，有效地抑制了传统溶液处理中由溶剂渗透引起的渐进相变。NSR 策略促进了钝化分子与 3D 钙钛矿之间的直接界面固相反应，通过精确调节施加的温度和压力，成功构建了具有明确维度（相纯）的2D钙钛矿钝化层。作者测试了七种不同的A位2D阳离子，结果表明，传统的溶液处理方法通常导致形成混合维度的2D钙钛矿相。与此形成鲜明对比的是，NSR 策略能够始终生成相纯、单一n值的2D钙钛矿层，且不受分子结构、尺寸或末端配体差异的影响。GIWAXS 结果进一步证实，以 4-MeO-PEAI为模型系统，溶液处理薄膜的衍射峰对应 n=1和n=2的混合维度晶体，而NSR处理薄膜仅在 ~0.24 Å⁻¹ 处出现衍射峰（n=2），明确证明了其形成了确定维度和相纯的 2D 钙钛矿钝化层。此外，高分辨率扫描透射电子显微镜分析也揭示，NSR 钝化钙钛矿薄膜的表面比溶液钝化薄膜更平坦。

图  通过表面扩散定制的2D钙钛矿的超分辨率

NSR 扩散实现的均匀界面钝化

作者深入研究了NSR扩散实现均匀界面钝化的机制。假设钝化层调控主要受温度而非压力影响。通过扫描电子显微镜和GIWAXS测量发现，随着温度升高，薄膜从PbI₂白点逐渐形成大型六边形片状结构。当温度升至140°C时，2D钙钛矿相在0.24 Å⁻¹处出现明显衍射峰，形成热稳定的n=2相，且在更高温度下无相变。研究构建的3D/2D异质结构双参数相图显示，只有在温度超过140°C且压力超过40 MPa时，才能实现稳定的确定性维度结构。GIWAXS测量证实NSR方法在垂直方向上产生均匀的2D钝化层，与溶液法的相不均匀层形成对比。在10 cm×10 cm大面积钙钛矿薄膜上，NSR方法实现了均匀分布的单一n值2D钙钛矿层，验证了其横向均匀性和相纯度。大面积光致发光映射结果表明，NSR处理的薄膜具有增强的光致发光发射和更窄的发射分布，反映了薄膜均匀性的改善和缺陷密度的降低。

图  利用NSR方法实现均匀大面积界面钝化

NSR处理的2D钙钛矿的光电性能

作者详细分析了NSR处理的 2D 钙钛矿的光电性能。通过XPS分析 N 1s 区域，发现在溶液处理的钙钛矿薄膜中出现了归因于铵配体与块体钙钛矿相互作用的C–N信号，表明铵配体在溶剂的辅助下会渐进扩散到块体内部。然而，在 NSR处理的薄膜中，该信号并未出现，这证明在NSR过程中钝化分子不会随溶剂扩散。TOF-SIMS进一步证实，NSR方法中铵配体更局限于表面，渗透程度远低于溶液处理样品。NSR处理的钙钛矿薄膜展现出更强的光致发光强度和更长的光致发光衰减时间，这有效地抑制了表面陷阱态相关的非辐射复合。UPS测量结果表明，NSR 方法导致费米能级（EF）更显著的向上移动（从-4.59 eV到-4.38 eV），同时价带最大值（VBM）也略有提升（从-5.85 eV到-5.53 eV），这表明界面能级对齐得到改善，有利于空穴提取。TTRPL测量也一致证实，NSR处理的薄膜具有加速的空穴转移、改进的界面电荷动力学、抑制的界面复合以及减少的载流子积累。这些结果共同证明了NSR策略在优化钙钛矿薄膜光电性能方面的卓越能力。

图  NSR处理的2D钙钛矿的光电性能

NSR处理钙钛矿器件的效率和稳定性

最后重点评估了NSR处理的钙钛矿器件的效率和稳定性。NSR处理的冠军PSC实现了26.13%的光电转换效率（PCE，认证效率25.66%），具有高开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF），且迟滞现象可忽略不计。NSR方法克服了传统溶液法中Voc和Jsc难以平衡的“跷跷板”现象，同时维持高Voc和Jsc，表明其是生产高效、稳定且可重复PSC的有效、精确钝化方法。此外，NSR技术成功应用于制备大面积钙钛矿太阳能组件（PSMs），一个5cm×5cm的PSM实现了23.03%的高PCE（认证QSS PCE 22.32%）。在稳定性方面，NSR处理的小面积器件在1200小时连续最大功率点（MPP）跟踪（ISOS-L-1）后无明显效率损失，并在85°C和40%相对湿度条件下（ISOS-L-2）的T₈₇达到1145小时。即使经过封装，NSR处理的PSM也能在1200小时后保持80%的初始PCE。NSR策略通过整合相纯2D钙钛矿钝化层，有效缓解了外部环境因素诱导的应力相变，显著抑制了离子迁移，稳定了钙钛矿界面，防止了长期热应力下的界面重构，显著提高了PSC的操作稳定性，为高性能钙钛矿光伏技术的商业化提供了有前景的途径。

图  器件的光伏性能

展望

总之，NSR策略是一种无溶剂方法，通过控制固体界面阳离子扩散形成纯相2D钙钛矿接触层，避免了溶液工艺中的渐进相变。该方法使器件效率高、稳定性好，冠军器件PCE达26.13%（认证25.66%），1200小时无效率损失，最小模块效率23.03%（认证22.32%），T₈₀为1200小时。NSR是钙钛矿光电子学的稳健途径。

参考文献：

Zhang, K., Wang, Y., Guo, L. et al. Surface diffusion engineering of a 2D perovskite layer for efficient perovskite photovoltaics. Nat. Synth (2025).

 https://doi.org/10.1038/s44160-025-00865-w

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