CEJ：准纯相二维钙钛矿用于高效稳定的二维 / 三维钙钛矿异质结太阳能电池

第一作者： 吴飞，高玉平，曾叶

通讯作者：杨迎国，刘永胜，朱琳娜*

单位： 西南大学，南开大学，复旦大学

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）在效率提升上成果显著，单结 PSCs 的功率转换效率已突破 26%，凭借出色的光电性能成为光伏领域的研究焦点。其低温溶液加工特性还为规模化生产与广泛应用提供了可能，吸引了全球学术界与产业界的高度关注。然而，溶液法制备工艺导致钙钛矿薄膜的体相和表面普遍存在缺陷。这些缺陷会成为非辐射复合中心，严重损害 PSCs 的效率与工作稳定性，成为制约其向实际应用推进的关键瓶颈。二维/三维（2D/3D）异质结构被认为是一种能够优化PSCs的效率和工作稳定性的协同策略，既能结合三维钙钛矿的优异效率，又能兼具二维钙钛矿更出色的稳定性。本文提出了一种新型有机胺盐（2-萘基）乙基碘化铵（S-2），将S-2沉积在混合阳离子钙钛矿薄膜上，制备出准纯相二维钙钛矿。基于S-2的二维钙钛矿能大幅降低缺陷密度、优化能级排列，并改善 2D/3D 界面处的电荷传输性能。

近日，来自西南大学的朱琳娜副教授与南开大学的刘永胜教授、复旦大学杨迎国教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Quasi-Pure-Phase 2D Perovskites for High-Efficiency and Stable 2D/3D Perovskite Heterojunction Solar Cells”的文章。该文提出了一种协同策略，将新型有机胺盐（2-萘基）乙基碘化铵（S-2）定向沉积在混合阳离子钙钛矿薄膜上构建2D/3D钙钛矿异质结。当 S-2 浓度适宜时，可成功制备出准纯相二维钙钛矿。最终，采用该结构的太阳能电池实现了 25.41% 的优异效率，且工作稳定性显著提升，远优于对照组器件（23.49%）。

通过 (S)-(-)-1-(2 - 萘基) 乙胺与氢碘酸的一步反应合成有机铵盐（S-2，即 (2 - 萘基) 乙基碘化铵）。采用两步旋涂法制备混合阳离子三维钙钛矿薄膜，随后将溶解在异丙醇中、浓度分别为 5、10、12.5、15mg/mL 的 S-2 旋涂在退火后的三维钙钛矿薄膜表面，构建二维 / 三维钙钛矿异质结结构，其中 12.5mg/mL 为最优浓度。为探究二维层形成机制，分别引入甲脒（FA）或甲铵（MA）单独合成不同 n 值的 S-2 基二维钙钛矿薄膜，通过 XRD 分析确定混合阳离子钙钛矿中与 S-2 反应形成二维层的主要成分是 MA。

在 S-2 浓度为 12.5mg/mL 时，形成 n 值接近 4 的准纯相二维钙钛矿层；低浓度 S-2 会导致二维 / 三维层呈混合相，高浓度则会增加二维层厚度，形成过厚有机绝缘层。XPS分析表明S-2 可与钙钛矿中未配位的 Pb²⁺配位，且 S-2 中的铵基氢与钙钛矿中的碘形成氢键（H···I）。DFT 计算显示，S-2 处理使 FAPbI₃钙钛矿的价带从 - 4.915eV 提升至 - 4.808eV，结合能从 7.65eV 增至 8.02eV，有效降低界面缺陷态；SCLC 测试显示空穴缺陷密度从 1.47×1016cm^-3 降至 6.96×10¹⁵cm^-3。SEM 和 AFM 显示，S-2 处理后钙钛矿表面未反应的过量PbI₂消失，晶界被填充，表面粗糙度（RMS）从 21.9nm 降至 16.3nm；水接触角从 62° 增大至 77°，疏水性增强，可抵抗水分侵蚀，减缓钙钛矿降解。UPS 测试表明，二维层使三维钙钛矿的价带从 - 5.86eV 升至 - 5.82eV，导带从 - 4.29eV 升至 - 4.25eV，能够有效优化能级匹配；UV-vis 吸收光谱显示，二维层对钙钛矿光吸收性能影响极小，光学带隙均为 1.57eV。

基于 12.5mg/mL S-2 构建的二维/三维钙钛矿太阳能电池（PSCs），功率转换效率（PCE）达 25.41%，显著高于对照组（23.49%）；开路电压（Vₒc）从1.147V 提升至1.183V，填充因子（FF）从79.46% 增至84.22%，EQE 积分电流密度从24.31mA・cm⁻² 提升至24.91mA・cm⁻²，在最大功率点（MPP）下稳定输出 PCE 为24.57%，100s内无明显波动。未封装器件在环境条件（室温、30%相对湿度）下存放1000h，对照组 PCE 仅保留初始值的65.8%，而二维/三维器件保留91.1%；在55℃、氮气氛围下进行1000h MPP跟踪，二维/三维器件仍能保持初始效率的85%，对照组仅保留 75%。

提出通过调控有机铵盐（S-2）浓度实现准纯相二维钙钛矿层的策略，揭示了有机阳离盐浓度对二维钙钛矿性能的影响，为二维/三维钙钛矿异质结的材料设计提供新方向。明确准纯相二维层在降低缺陷、优化能级、提升载流子传输效率方面的关键作用，为解决传统 PSCs 效率与稳定性难以兼顾的问题提供切实可行的技术路径。强调有机阳离子选择对二维/三维PSCs性能的重要性，为后续钙钛矿太阳能电池的效率提升与长期稳定性优化提供理论依据和实验参考，助力PSCs向规模化、商业化应用迈进。

Quasi-pure-phase 2D perovskites for high-efficiency and stable 2D/3D perovskite heterojunction solar cells

刘永胜教授简介：国家级高层次人才，国家重点研发计划课题负责人。主要从事有机和有机/无机杂化光电功能材料和器件的探索及应用研究，特别是高性能钙钛矿太阳能电池材料与器件、近红外有机太阳能电池材料与器件，以及集成（叠层）钙钛矿/有机太阳能电池。在Science, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际权威学术期刊发表研究论文100余篇，累计被引用30000余次，H因子61。2018-2024年连续7年入选科睿唯安（Clarivate)“全球高被引学者”。

杨迎国研究员简介：国际先进材料协会会士，eScience、Moore and More青年编委等。主要从事新型光电材料及微电子器件，如氧化镓、钙钛矿等；半导体表界面工艺调控及先进表征，如同步辐射等；真空镀膜及微电子学；集成电路工艺等。在Science, Nature, Nat.Energy, Nat.Nanotechnol等国际权威学术期刊以第一作者和通讯作者发表研究论文近百篇，累计被引用超过13000余次，H因子52。

朱琳娜副教授简介：从事有机光电功能材料及器件方向的研究。在钙钛矿电池领域，开发了新型、高效的有机空穴传输材料、电子传输材料等，提高钙钛矿电池光电转换效率及稳定性。截至目前，在有机光电功能材料领域以第一作者和通讯作者共发表SCI论文80余篇，引用3000多次，H因子31。