在钙钛矿薄膜的顶部和埋底界面同时实现均匀结晶，对于充分发挥其光伏潜力至关重要，然而这仍是一项尚未解决的难题。尤其是埋底界面相较于顶表面结晶性较差，导致晶体质量不理想且缺陷密度升高。
2025年11月24日，南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心陈永胜院士、刘永胜教授（国家级高层次人才）团队在Nature Photonics期刊发表题为“Spontaneous 2D perovskite formation at the buried interface of perovskite solar cells enhances crystallization uniformity and defect passivation”的研究论文，团队成员高玉平为论文第一作者，刘永胜教授、陈永胜院士为论文共同通讯作者，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。
该研究提出一种一步法策略，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入有机阳离子卤化物盐，诱导在埋底界面处自发形成近相纯二维钙钛矿。单晶结构分析揭示了分子工程在促进埋底二维钙钛矿相自发形成中的关键作用。有机间隔物的低偶极矩和平面刚性结构促进了其在钙钛矿晶界处的聚集，随后迁移至薄膜的底部界面。该二维钙钛矿层同时促进了埋底界面的均匀结晶和高效缺陷钝化，使器件实现了26.31%的功率转换效率（认证效率26.02%）。未封装的器件在连续光照1000小时后，仍能保持其初始功率转换效率的95%。
钙钛矿薄膜的均匀结晶对于高性能钙钛矿太阳能电池（PSCs）至关重要。然而，埋底界面通常表现出比顶表面更无序的结晶和更高的缺陷密度，这主要归因于自上而下的结晶过程。钙钛矿与底层之间热膨胀系数的不匹配在埋底界面处引入了显著的残余应变，进一步促进了缺陷形成和非辐射复合。这种界面差异常常导致薄膜性能不均匀，阻碍电荷传输和器件稳定性。尽管埋底界面严重影响器件性能，但大多数结晶控制策略主要集中于体相，相对较少的研究关注于增强顶表面和底表面之间晶体均匀性的挑战。同时实现薄膜的均匀结晶和埋底界面的有效缺陷钝化仍然具有挑战性，需要更先进和集成的方法。此外，旋涂的界面层往往与基底的附着力较弱，使其在薄膜形成过程中容易被洗脱或吸收到钙钛矿体相中，从而损害其缺陷钝化效率。因此，同时调控薄膜均匀性和稳定埋底界面的策略对于进一步提高钙钛矿太阳能电池的性能至关重要。
二维钙钛矿能够作为α-FAPbI₃定向结晶的模板并调控其结晶动力学。它们还可以作为有效的钝化层，改善缺陷抑制、稳定性和能级对齐，最终实现更高效、更耐用的器件。通常将二维钙钛矿或有机间隔物加入钙钛矿前驱体溶液中，随后通过旋涂额外的二维钙钛矿层来制备高性能钙钛矿太阳能电池。然而，这种方法主要调控体相结晶，因为引入的二维钙钛矿相倾向于保留在体相内，而非位于埋底界面。此外，二维钙钛矿钝化技术通常对顶表面有效，而将其扩展到钙钛矿太阳能电池内部的埋底界面则面临巨大挑战。在基底上预成型二维钙钛矿层为构建埋底二维相和调控三维薄膜生长提供了一条潜在途径。此类层已被证明有助于控制钙钛矿结晶。然而，这种调控是通过二维相重新溶解回钙钛矿前驱体溶液中实现的。构建稳定的埋底二维钙钛矿相以诱导高质量三维钙钛矿的生长是一项关键挑战，因为这些层在薄膜形成过程中常常被洗脱或破坏。
在此，该研究展示了一种通过埋底界面自发形成近相纯二维钙钛矿层来制备高质量2D/3D钙钛矿薄膜的有效策略。该层不仅钝化了埋底界面缺陷，还增强了整个薄膜的晶体均匀性。具体而言，研究人员将2,3-二氢异吲哚氢碘酸盐（DHIII）或4,5,6,7-四氢噻吩并[3,2-c]吡啶氢碘酸盐（ThPyI）引入钙钛矿前驱体溶液中。在退火过程中，这些有机阳离子随自上而下的结晶过程向下迁移，并在埋底界面形成二维钙钛矿，从而提升了整个薄膜的结晶质量。研究发现，DHII和ThPy间隔物的独特性质源于其低偶极矩和平面刚性结构。其小偶极矩最小化了晶格相互作用，而其刚性芳香结构则增强了分子间非共价相互作用并促进了聚集。这些特性促进了它们的向下迁移，同时调控了埋底界面的取向和结晶动力学。因此，这种一石二鸟的策略带来了功率转换效率的显著提升，最高达到26.31%，同时稳定性也大幅增强。重要的是，这种埋底二维钙钛矿层可通过一步法和两步法旋涂工艺实现，并且与不同钙钛矿组分兼容。
图1 | 顶表面和底表面的形貌。a, 从器件上剥离埋底界面的示意图。b, 对照钙钛矿薄膜的顶视图和底视图SEM图像。c, 在玻璃/SnO₂基底上的对照钙钛矿薄膜的GIXRD图谱，分别从顶表面和剥离的埋底表面测量。d, 在玻璃/SnO₂基底上的对照钙钛矿薄膜的2D GIWAXS图像，分别从顶表面和剥离的埋底表面测量。掠入射角为0.2°。e, 从不同入射方向获得的对照钙钛矿薄膜的PL光谱。f, 从不同入射方向获得的钙钛矿薄膜的TRPL光谱。g, 有机间隔物的化学结构和静电势图。h, 通过一步法和两步法旋涂方法在埋底界面形成2D/3D钙钛矿的示意图。i, 从不同入射方向获得的2D/3D钙钛矿薄膜的PL光谱。
图2 | 通过埋底二维钙钛矿改善不均匀性。a, 从顶表面和底表面测量的2D/3D钙钛矿薄膜的GIXRD图谱。b, 2D/3D钙钛矿薄膜的顶视图和底视图SEM图像。c, 水在钙钛矿薄膜表面的接触角。d, 从顶表面和埋底表面测量的目标钙钛矿薄膜的2D GIWAXS图像。掠入射角为0.2°。e, 由二维钙钛矿相促进的钙钛矿薄膜在埋底界面处定向结晶的示意图。f, 在底界面测量的对照和目标钙钛矿薄膜的GIXRD图谱。g, 在退火过程中通过方位角积分原位GIWAXS监测的沉积薄膜的结构演变。h, 从2D GIWAXS随时间提取的退火过程中α-FAPbI₃的积分强度。温度以约5 °C s⁻¹的速率从室温升至150 °C。
图3 | 埋底界面处自发形成二维钙钛矿的机理。a, 二维钙钛矿的单晶结构。b, DHII和TnPy在钙钛矿晶格内的排列，为清晰起见省略了无机层。虚线表示非共价相互作用。c, 有机间隔物吸附在FAPbI₃晶体表面的结合能。d, 在退火过程中，掺入有机间隔物的钙钛矿薄膜的半原位PL光谱热图。样品结构为玻璃/钙钛矿，PL测量从玻璃侧进行。e, 四种二维间隔物对钙钛矿薄膜的结构-功能结果关系分析。
图4 | 器件性能与稳定性。a, 采用两步沉积法制备的性能最佳的对照和基于DHIII的器件在标准AM1.5G光照下的电流密度-电压曲线。b, 对照和基于DHIII的PSC器件的PCE分布。c, 面积为1.0 cm²的器件的J-V曲线。d, 在充满氮气的手套箱中，未封装器件在发光二极管照明下随时间变化的归一化PCE演变。e, 储存在环境条件下的未封装器件的归一化PCE随时间变化。
总之，该研究开发了一种一步法策略，通过有机间隔物的分子设计，实现了在埋底界面处自发形成近相纯的二维钙钛矿，从而同时实现了结晶均匀性和缺陷钝化。与ThMA和PEA间隔物相比，DHII和ThPy具有更低的偶极矩和更平面的刚性结构。这些特性促进了更强的分子堆叠以及与富FAPbI₃钙钛矿更弱的相互作用，使其能够在自上而下的结晶过程中被挤压至薄膜底部。这种分子下沉调控了结晶动力学，优化了晶体取向，并最大限度地减少了界面非辐射复合，从而在光伏性能和稳定性方面均取得了显著提升。该研究强调了分子设计在控制埋底二维钙钛矿分布、调控结晶动力学和优化晶体取向方面的关键作用，为推进钙钛矿太阳能电池的发展提供了一条有前景的途径。
来源：科服
