周忠敏教授，AFM:配位与π-π堆积协同调控界面缺陷及电荷传输构筑高效稳定的锡铅钙钛矿太阳电池

第一作者：廖媛源

通讯作者：周忠敏*

单位：青岛科技大学

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借优异的功率转换效率（PCE）和低温溶液加工性，成为下一代光伏技术的核心候选者。其中，锡铅（Sn-Pb）混合钙钛矿因带隙范围（1.20-1.30 eV）窄于纯铅钙钛矿（通常>1.5 eV），能更充分吸收太阳光谱，理论上具备突破单结Shockley-Queisser效率极限的潜力。然而，Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的实际应用面临关键瓶颈：一方面，Sn²⁺易发生氧化（歧化反应生成Sn₀和Sn⁴⁺），引入深能级缺陷；另一方面，钙钛矿/电子传输层（ETL）界面存在能级失配、电荷传输与提取效率较低等问题，两者共同加剧界面非辐射复合，严重限制器件性能与稳定性。尽管现有研究针对纯铅或特定窄带隙体系开发了多种界面修饰策略（如分子结构调控、化学掺杂等），但缺乏结构简单、能同时协同优化缺陷钝化与电荷传输的双功能分子设计。本文通过单一分子实现了“缺陷钝化-传输增强”的协同界面调控，突破了传统界面修饰中性能折衷的局限，为发展高效、稳定的锡铅钙钛矿太阳能电池提供了新颖而有效的策略。

近日，来自青岛科技大学的周忠敏教授在Advanced Functional Materials上发表题为“Coordination/π-π Stacking Synergistic Strategy: Regulating Interface Defects and Charge Transport to Enhance the Performance of Tin-Lead Perovskite Solar Cells”的观点文章。该文章提出一种“配位/π-π堆积协同”界面调控策略，通过在钙钛矿/PCBM界面引入双功能分子4,4'-二氨基二苯醚（ODA），实现缺陷钝化与电荷传输的同步优化。ODA分子结构中的芳香环可与PCBM形成强ππ堆积，增强界面接触与有序性；其醚键（–C–O–C–）与氨基（–NH₂）可与钙钛矿表面未配位的Sn²⁺、Pb²⁺及FA⁺等缺陷位点发生配位作用，有效抑制Sn²⁺氧化并钝化界面缺陷。该协同作用显著降低了非辐射复合损失，优化了能级对齐，最终使器件效率提升至23.7%，并在未封装条件下表现出优异的长期稳定性。

通过相互作用区域指数（IRI）分析与紫外可见吸收光谱蓝移现象，证实ODA与PCBM之间存在强ππ堆积作用（相互作用能为20.32 kcal mol⁻¹）。该作用促进PCBM分子有序排列，降低界面紊乱度，提升电子传输效率。

DFT计算与XPS、FTIR、¹H NMR等实验表明，ODA的醚键与Sn²⁺/Pb²⁺形成配位键，氨基则与FA⁺等缺陷相互作用。该配位作用显著抑制Sn²⁺氧化（Sn⁴⁺与Sn₀含量降低），减少深能级缺陷态，降低Urbach能量，从而抑制非辐射复合。

KPFM与UPS测试显示，ODA修饰使钙钛矿表面电势分布更均匀，导带底（CBM）下移约0.09 eV，费米能级向PCBM的LUMO靠近，优化了电子提取能垒。PLQY提升与QFLS增加（从848 meV增至866 meV）进一步证实界面复合受到显著抑制。

Coordination/π-π Stacking Synergistic Strategy: Regulating Interface Defects and Charge Transport to Enhance the Performance of Tin-Lead Perovskite Solar Cells

周忠敏，青岛科技大学化学院教授，博士生导师，山东省泰山学者青年专家，《General Chemistry》青年编委。研究方向为高效稳定钙钛矿太阳能电池的开发，目前以通讯作者在Nat. Photon., Nat. Commun., Matter, Angew. Chem. Ed. Int. (10篇), Adv. Mater. (2篇), Adv. Energy Mater. (2篇), Adv. Funct. Mater. (3篇), ACS Energy Lett.(2篇), CCSChem.等期刊上发表SCI论文60余篇，引用大于5000次；主持（包括结题）中国博士后基金、国家自然科学青年基金和面上基金、山东省泰山学者工程项目、山东省重点研发计划子课题和青岛市自然科学基金等。