厦门大学唐卫华、云南大学华雍：协同空间电荷分布增强电子亲和性构筑高效率钙钛矿太阳能电池

第一作者：徐敏；

共同第一作者：郑良定

通讯作者：唐卫华*，华雍*

单位：厦门大学，云南大学

有机–无机卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能取得了快速发展，但其商业化仍受限于薄膜缺陷与离子迁移导致的效率损失和稳定性不足。传统溶液加工过程中不可控的结晶行为进一步加剧了缺陷形成。添加剂工程被认为是调控结晶过程与钝化缺陷的有效策略，但现有分子设计多依赖单一功能基团作用，难以实现多缺陷协同调控。因此，开发具有协同空间电荷分布的多位点功能分子，以同时优化缺陷钝化、能级匹配及载流子动力学，对于实现高效率与高稳定性的钙钛矿太阳能电池具有重要意义。基于此，本文提出一种以协同空间电荷分布调控为核心的分子设计策略，通过构建电子富集区域与氢键供体位点在空间上分离的功能分子，实现对未配位 Pb2+、有机阳离子及卤素空位的多位点协同作用。该策略不仅增强了分子电子亲和性与界面能级匹配，还有效抑制离子迁移并降低非辐射复合，从而同步提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与运行稳定性。添加剂的多点钝化和良好的空间电荷分布协同提高了PSCs的光伏性能，为钙钛矿光电应用的高效钝化剂设计提供了有前景的策略。

本文提出多功能添加剂工程策略，采用1,3-双[4-(三氟甲氧基)苯基]脲（BFPU）和1,3-双(4-氰基苯基)脲（BCPU）作为添加剂，通过分子中氨基、羰基与钙钛矿离子空位、卤化物相互作用，结合三氟甲氧基/氰基与有机阳离子/Pb2+的协同配位，实现多位点缺陷钝化、结晶优化与相稳定增强，显著提升PSCs效率与稳定性。经BFPU/BCPU修饰的PSCs在0.09 cm2器件面积上分别实现了25.32%和25.68%的最高光电转换效率（PCE）。值得注意的是，BFPU/BCPU添加剂工程使单结宽带隙（1.68 eV）PSCs的冠军PCE分别达到23.28%和23.43%，同时具备优异的运行稳定性。

近日，来自厦门大学材料学院的唐卫华教授与云南大学的华雍副研究员等人合作，在国际知名期刊Advanced Functional Material上发表题为“Synergistic Spatial Charge Distribution Enhancing Electron Affinity to Afford High-Efficiency Perovskite Solar Cells”的观点文章。文中提出了一种钙钛矿薄膜钝化策略，该策略使用三重锚定添加剂进行多位点钝化，并协调空间电荷分布，以实现高效稳定的PSCs。该研究的重要意义在于：将添加剂设计从“官能团作用”提升至“整体电荷空间构型工程”，为高性能钙钛矿材料的分子设计提供了新的理论框架，也为下一代高效稳定光伏器件开发开辟了新的方向。

图1主要阐明了本文的核心设计理念与作用机制基础，即“协同空间电荷分布”驱动的添加剂分子工程。该图通过展示 BFPU 与 BCPU 的分子结构、静电势（ESP）分布以及分子—钙钛矿相互作用示意，表明分子内部电子富集区域（如 C=O、–CN 或 –OCF3）与氢键供体位点（N–H）在空间上呈方向性分离，从而形成具有极性梯度的电荷分布。这种空间电荷构型使单一添加剂分子能够同时与钙钛矿中的多种缺陷位点发生作用，包括与未配位 Pb2+形成配位键、与 I-建立氢键相互作用以及与有机阳离子产生静电耦合，实现多位点协同钝化。该图从分子电子结构层面提出并验证了本文的核心假设：相比传统依赖单一官能团的局域修饰策略，整体空间电荷分布才是实现高效缺陷调控与性能提升的关键设计原则。

图 2 展示了多种表征手段揭示添加剂对钙钛矿薄膜的化学与结构调控作用，系统分析了添加剂与钙钛矿缺陷之间的相互作用机制。FTIR 显示 BFPU/BCPU 分子中的 C=O、C≡N 与 N–H 等官能团与钙钛矿中的 Pb2+ 和 I- 发生相互作用，形成氢键或配位键，验证了缺陷钝化和分子–晶体相互作用。核磁（1H NMR） 进一步确认了分子中氢键形成的微观环境变化，尤其是 N–H 信号的化学位移，表明分子与钙钛矿有强烈局域相互作用。XPS 光电子谱分析显示 Pb 4f 和 I 3d 结合能略微上移，反映了 Pb2+ 与添加剂的配位以及 I- 离子的电子环境调制，提示缺陷态被有效钝化。GIWAXS 测试显示薄膜的晶体取向更加优良，衍射峰更尖锐且强度增强，表明添加剂促进了晶粒生长和晶体有序排列，从而改善薄膜质量和电子迁移能力。总体来看，这些表征结果共同证明添加剂通过空间电荷分布和多位点协同作用实现了缺陷钝化、晶体优化及电子亲和力提升，为高效 PSCs 提供了基础。

图 3 的结果表明，BFPU/BCPU 添加剂有效调控钙钛矿薄膜的电子结构和载流子动力学，显著延长载流子寿命、抑制复合并优化能级匹配，同时降低陷阱态密度，从而提升载流子提取效率和整体光电性能，为高效钙钛矿太阳能电池的实现提供了机制性支持。

图4通过KPFM、AFM 和 SEM 等薄膜性能测试表明，引入添加剂后钙钛矿薄膜表面电势更高且分布均匀，晶粒尺寸增大，表面更加平整，同时 PbI2 剩余物明显减少。这些结构和表面特性的改善有效降低了缺陷浓度和晶粒间能量势垒，增强了载流子在薄膜中的传输效率和界面接触质量。此外，更均匀的表面电势和晶体结构有助于抑制非辐射复合，提高光生载流子寿命，从而整体优化了薄膜的光电性能。这些结果表明，BFPU 和 BCPU 的协同作用不仅改善了钙钛矿薄膜的微观结构，还显著提升了器件的电学稳定性和光电效率。

图5展示器件光伏性能与统计结果，表明添加剂修饰后器件的 Voc、FF 与整体 PCE 均显著提升，处理后的器件在标准带隙（1.54 eV）下 PCE 提升至 25.32% 和 25.68%，宽带隙（1.68 eV）器件也得到明显改善，同时 J–V 迟滞明显减小且器件一致性增强。添加剂的引入有效抑制缺陷态和非辐射复合，降低电荷陷阱密度，优化载流子分离和传输，并显著减少电流-电压迟滞，使器件表现出高效率、高稳定性和良好的可重复性，充分展示了 BFPU 和 BCPU 在钙钛矿光伏器件性能提升中的关键作用。

图6 通过长期老化测试及离子分布分析表明，BFPU 与 BCPU 能有效抑制 PbI- 等离子向界面迁移，使器件在持续运行条件下保持更高性能稳定性。其根本原因在于分子多位点锚定作用与空间电荷调控共同稳定晶格结构并限制离子迁移路径，实现效率与稳定性的同步提升。此外，添加剂提升了薄膜表面的疏水性，进一步增强了器件对湿度的抗性。这表明通过 BFPU 和 BCPU 的多位点添加剂工程，可以同时实现 PSCs 的高效率与卓越长期操作稳定性。

本研究提出了一种基于三重锚定添加剂的钙钛矿薄膜钝化策略，通过实现多位点缺陷钝化与空间电荷分布的协同调控，从而获得高效率且高稳定性的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。添加剂能够与钙钛矿中的活性位点形成强相互作用，包括未配位的 Pb²⁺ 离子、有机阳离子（如 FA+）以及卤素空位，从而实现有效的缺陷钝化。由此形成的高质量钙钛矿薄膜显著降低了非辐射复合损失，并增强了电荷传输性能。此外，具有空间协同电荷分布特征的添加剂可与钙钛矿晶体产生更有效的相互作用，抑制晶体中的相变过程并确保其结构稳定性。最终，两种添加剂工程化的 PSCs 器件分别实现了 25.32% 和 25.68% 的最高光电转换效率。值得注意的是，该添加剂工程策略同样适用于 1.68 eV 宽带隙钙钛矿太阳能电池，其最高效率分别达到 23.28% 和 23.43%。所有添加剂修饰的 PSC 器件均表现出优异的器件稳定性。添加剂所实现的多位点钝化与有利的空间电荷分布协同提升了 PSCs 的光伏性能，为钙钛矿光电应用中高效钝化剂的设计提供了一种具有前景的策略。

Synergistic Spatial Charge Distribution Enhancing Electron Affinity to Afford High-Efficiency Perovskite Solar Cells

唐卫华教授简介：厦门大学材料学院教授、博士生导师，主要从事能源材料及器件研究。唐教授于2006年在新加坡国立大学获博士学位，之后于新加坡材料研究院和墨尔本大学从事博士后工作。2009-2021年任南京理工大学教授，2021年至今起任职厦门大学。在 Nature、Nature Protocols、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等期刊发表SCI论文250余篇，被引用1,6000余次，H因子68。

华雍副研究员简介：云南大学副研究员，博士生导师，云南省高层次引进人才。2014年博士毕业于香港浸会大学(HKBU)化学系。2014-2017年在瑞典皇家理工学院(KTH)进行做博士后研究。2017年9月以高层次人才加入云南大学材料与能源学院。主要研究领域涵盖光电材料与器件以及光电材料中的载流子动力学过程研究。在国际知名学术期刊Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters等发表50余篇学术论文。目前主持国家自然科学基金、云南省重点项目、云南省“优秀青年”项目、云南省“青年千人”项目等。