西南大学刘小锐/何荣幸团队，异构化有机铵盐的界面工程，实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池- 大数跨境

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西南大学刘小锐/何荣幸团队，异构化有机铵盐的界面工程，实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

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2025-09-12

导读：西南大学刘小锐/何荣幸团队，异构化有机铵盐的界面工程，实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

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文章信息

基于萘基异构化的界面工程用于高效稳定的钙钛矿太阳能电池：理论模拟与实验研究

第一作者：蒋欣

通讯作者：何荣幸*，吴飞*，刘小锐*

单位：西南大学

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研究背景

钙钛矿存在大量本征缺陷和界面缺陷，这些缺陷往往会导致非辐射复合，降低载流子迁移率，从而影响钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率和稳定性。为了应对这一挑战，目前已有诸多方法包括界面工程、添加剂使用、组分调整和结晶控制等，可以有效提升PSCs的性能和稳定性。其中，界面工程尤为关键，它能有效减少钙钛矿表面和晶界处的缺陷。通过在钙钛矿光敏层和传输层之间添加特定的钝化剂能够改善界面接触，有效的界面工程不仅可以增强空穴传输材料性能，而且可以提高结晶度，能够钝化钙钛矿表面和晶界上的缺陷，调整钙钛矿层与空穴传输层之间的能级对准，从而优化载流子的提取和传输。本研究将萘甲基碘化铵作为钙钛矿和空穴传输层之间的钝化剂，系统讨论了甲基碘化铵取代位置对于PSC器件性能和稳定性的影响。

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文章简介

近日，来自西南大学化学与化工学院的刘小锐副教授、何荣幸教授与材料与能源学院的吴飞副教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Interface Engineering Based on Naphthyl Isomerization for High-Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells: Theoretical Simulation and Experimental Research”的研究论文。该工作提出了一种基于萘基异构化的策略，通过改变异构体的策略调整分子内电荷密度分布，以改善钙钛矿太阳能电池的界面缺陷。

图1. a) NYAI 和 NMAI 的分子结构。b) NYAI 和 NMAI 的 ESP 和分子偶极矩。c) FAPbI₃，d) FAPbI₃/NYAI 和 e) FAPbI₃/NMAI 的电子局域函数。f) FAPbI₃，g) FAPbI₃/NYAI 和 h) FAPbI₃/NMAI 的电子能带结构和态密度（DOS）。

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本文要点

要点一：有机铵盐修饰钙钛矿薄膜能有效改善其能级

PSCs产生光生电流的先决条件是钙钛矿层与空穴传输层之间能级匹配良好。通过紫外光电子能谱（UPS）对钙钛矿/Spiro-OMeTAD的能级对齐情况进行研究。结果表明，对照、经NMAI处理以及经NYAI处理后的钙钛矿薄膜的价带最大值（VBM）分别为-5.98、-5.93和-5.77，其中经NYAI处理的钙钛矿薄膜VBM与空穴传输材料Spiro-OMeTAD的HOMO匹配更好，更有利于空穴的提取和传输。

图2. a) 钙钛矿薄膜的XRD光谱。b) 不同结构钙钛矿薄膜的紫外-可见光谱。c) 二次电子截止边和d) 价带边。f) PSC中各组分的能级。

要点二：有机铵盐修饰钙钛矿薄膜实现更强的电荷转移过程

有机铵盐修饰钙钛矿薄膜可以使晶粒二次生长，最终形成较大晶粒以及缺陷较少的钙钛矿薄膜。同时使钙钛矿薄膜表面粗糙度降低，更有利于电荷传输过程，并且降低器件界面之间的非辐射复合。FESEM图像表明，对照的钙钛矿薄膜表面存在针孔状缺陷（黄色标记），钙钛矿晶体显示不规则形状且晶粒尺寸普遍较小。经NYAI/NMAI处理的钙钛矿薄膜针孔缺陷被修饰，但与NMAI相比，基于NYAI结构的钙钛矿晶粒尺寸明显增大且表面细颗粒几乎消失。基于NYAI结构的钙钛矿薄膜粗糙度下降最多且表面形貌被修饰得最好，这与FESEM测试结果一致。

图3. a-c) FESEM和d-f) AFM图像。g) 钙钛矿薄膜的PL光谱。h）钙钛矿薄膜的TRPL光谱。i) 纯电子器件的 SCLC 测量。

要点三：有机铵盐修饰钙钛矿薄膜能有效改善其晶体质量

经NYAI和NMAI处理后在约1.0 Å^-1处的衍射环强度明显增强，且基于NYAI的钙钛矿薄膜衍射更强，表明引入NYAI后钙钛矿薄膜的结晶度显著提高。同时，处理过后的钙钛矿薄膜在低q区都出现了明显的衍射环（与2D钙钛矿相对应），这与XRD结果一致。同时，引入钝化剂可以有效减少残余拉伸应变，并且引入NYAI后，减小残余拉伸应力的程度更大。

图4. a) TPC测试。b) TPV测试。c-e) GIXRD测试。f) 使用sin2ψ-2θ方法对GIXRD结果进行斜率拟合。g-i) GIWAXS测试。

要点四：有机铵盐修饰钙钛矿薄膜实现更高的光伏性能

使用NYAI处理的PSC再次显示出比对照和NMAI更好的光伏性能，实现了PCE=24.39%（JSC =25.83 mA cm^-2,VOC =1.136V, FF=83.13%）的最佳光伏性能，高于基于NMAI的钙钛矿太阳能电池器件（PCE=22.90%，VOC =1.104V, Jsc =25.14 mA cm^-2, FF=82.51%）。同时同时基于NYAI的器件拥有更好的长期稳定性和工作运行稳定性具有良好的重复性。

图5. a) C1s, b) N1s, c) Pb4f的XPS测试结果。d) NYAI处理的PSC器件结构。e) 基于Control、NYAI和NMAI的最佳器件的J-V曲线。f) 优化的NYAI处理、NMAI处理和控制装置在正向和反向扫描中的J-V曲线。g) EQE光谱。h) 在冠军器件的MPP下测量的光电流密度的稳态输出。i) 对照和 NYAI 处理的设备的光稳定性。

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文章链接

Interface Engineering Based on Naphthyl Isomerization for High-Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells: Theoretical Simulation and Experimental Research

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202508018

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通讯作者简介

刘小锐副教授简介：副教授，理学博士，硕士研究生导师。主要从事计算化学、有机功能材料模拟与应用及钙钛矿太阳能电池器件等研究工作，主持国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等项目。以第一作者或通讯作者在Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A、J. Mater. Chem. C、Appl. Surf. Sci., Phys. Chem. Chem. Phys.、J. Phys. Chem. C、J. Power Sources等上面发表学术论文40余篇。科研成果获2019年度重庆市科学技术奖（自然科学）三等奖。

何荣幸教授简介：重庆市巴渝学者特聘教授、重庆市英才计划创新领军人才。2006年6月毕业于四川大学化学学院物理化学专业，2007年8月至2009年7月在台湾交通大学从事博士后研究工作，2014年8月至2015年2月在内布拉斯加州立大学做高级访问学者，2012年6月破格晋升教授。先后获重庆市巴渝学者特聘教授、重庆市创新领军人才、重庆市学术技术带头人和重庆市高校青年骨干教师荣誉称号。部分研究成果“钙钛矿/有机太阳能电池材料的结构设计策略与性能调控”获重庆市科学技术三等奖（排名第一）。主持国家级项目3项，省部级项目4项，在重要学术期刊上发表SCI论文110余篇。

吴飞副教授简介：毕业于武汉大学化学与分子科学学院，博士研究生。主要从事有机光电功能材料领域的研究，具体研究方向为：钙钛矿太阳能电池和钠离子电池。迄今在材料领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.；Adv.Mater.; Adv. Funct. Mater.; ACS Energy Lett.; Chem. Sci.; Sci. China Chem.等杂志以第一作者或通讯作者共发表SCI论文近80篇（其中高被引论文两篇，热点文章四篇）。获批国家自然科学基金项目青年基金，重庆市自然科学基金面上项目各一项。