研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电特性、低成本的溶液制备工艺以及高功率转换效率（PCE），近年来受到广泛关注。然而，材料本征缺陷的存在尤其是在表面与晶界处的未配位离子和空位会显著加剧非辐射复合，不仅限制器件的光电性能，还加速环境诱导的降解过程，从而阻碍其长期稳定性与商业化进程。为此，研究人员开发了多种缺陷调控策略，其中表面钝化被证明是有效抑制非辐射损失、提升器件效率与稳定性的关键手段。有机铵盐（如PDAI、PDI、PEAI等）因能有效钝化未配位Pb²⁺或卤素空位而被广泛应用。但一个长期被忽视的问题是：钝化剂在溶液中的化学稳定性。研究表明，烷基/芳基铵盐在常用醇类溶剂（如异丙醇，IPA）中易发生去质子化反应（R–NH₃⁺→ R–NH₂ + H⁺），生成无钝化能力的中性胺副产物，导致钝化效果不可控、批次重复性差，甚至引入新杂质，反而损害器件性能。

文章概述

针对此瓶颈，南开大学电子信息与光学工程学院、有机新物质创造前沿科学中心罗景山教授团队近日在《Angewandte Chemie International Edition》发表题为“Suppressing Alkyl Ammonium Deprotonation with Low-pKa Solvent for Reproducible and Stable High-Efficiency Perovskite Solar Cells”的最新研究成果，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

该研究创新性提出：通过调控钝化溶剂的质子环境，从源头抑制铵盐去质子化。团队系统对比了IPA（pKa ≈ 17）与六氟异丙醇（HFIP, pKa ≈ 9.3）对1,3-丙二胺二氢碘化物（PDAI）的影响。结果表明，HFIP凭借弱酸性、强质子供体能力，可在溶液中构建稳定的质子化微环境，有效抑制–NH₃⁺去质子化，维持钝化剂活性。HFIP-PDAI溶液储存稳定，而IPA-PDAI体系则生成杂质。经HFIP处理的薄膜展现出更强PL强度、更长载流子寿命及更低缺陷密度。相应器件实现26.91%的最高效率（认证26.88%），未封装器件在最大功率点连续光照1000小时后仍保持95.9%初始效率。

图1. 采用异丙醇（IPA）和六氟异丙醇（HFIP）溶剂溶解不同钝化剂制备的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。(a) 倒置结构PSCs的器件构型；(b–c) 溶剂IPA和HFIP的化学结构（b）以及钝化剂1,3-丙二胺二氢碘化物（PDAI）、哌嗪二氢碘化物（PDI）和苯乙基铵碘化物（PEAI）的化学结构（c）；(d–e) 钝化剂分别溶于IPA（d）和HFIP（e）时，PSCs在不同老化时间下的功率转换效率（PCE）。

图2. IPA与HFIP溶剂的性质表征。(a) 新配制的IPA/PDAI和HFIP/PDAI溶液的图片；(b–c) 新配制的IPA/PDAI (b) 和HFIP/PDAI (c) 溶液的核磁共振（NMR）谱图；(d) 老化后的HFIP/PDAI溶液的图片；(e–f) 老化后的IPA/PDAI (e) 和HFIP/PDAI (f) 溶液的核磁共振（NMR）谱图；(g) 纯水、IPA/水（体积比 n₁/n₂ = 2%）和HFIP/水（体积比 n₁/n₂ = 2%）混合溶液的pH值；(h) IPA与HFIP的pKa值；(i) IPA/PDAI和HFIP/PDAI溶液在钙钛矿薄膜上的接触角测试。

图3. 对照组、IPA/PDAI和HFIP/PDAI钝化的钙钛矿薄膜表征。(a) 钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱（UV-vis）测试；(b) 钙钛矿薄膜的X射线衍射图谱（XRD）；(c) 对照组、IPA/PDAI和HFIP/PDAI钙钛矿薄膜中N 1s的X射线光电子能谱（XPS）测试；(d–f) 钙钛矿薄膜的顶视扫描电子显微镜（SEM）图像；(g–i) 钙钛矿薄膜的光致发光（PL）光谱（g）、光致发光量子产率（PLQY）（h）以及时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线（i）。

图4. PSCs的光伏性能。(a–c) 对照组、IPA/PDAI和HFIP/PDAI处理的PSCs的电流密度-电压（J-V）曲线；(d) PSCs的稳态功率输出（SPO）；(e) PSCs的外量子效率（EQE）测试；(f) PSCs的暗电流测试；(g) PSCs的开路电压（Voc）随光照强度的变化关系；(h) PSCs的电化学阻抗谱（EIS）；(i) PSCs的Mott-Schottky分析；(j) 对照组、IPA/PDAI和HFIP/PDAI处理的PSCs在氮气氛围下、LED光源（光强100 mW cm⁻²）照射下的最大功率点跟踪（MPPT）测试。

总结与展望

该工作首次系统研究了有机铵盐钝化剂在溶液中因去质子化而失活的问题，揭示其对钙钛矿界面钝化效果及器件重复性的影响。在此基础上，提出采用低pKa溶剂六氟异丙醇（HFIP）替代传统异丙醇，有效抑制铵盐去质子化，显著提升钝化溶液的化学稳定性。该方法通过调控溶剂环境实现高效、可重复的界面修饰，工艺简单且兼容现有流程。这一策略为解决钙钛矿电池效率波动大、稳定性差等产业化难题提供了普适性新思路，并可拓展至其他易分解界面材料体系，推动钙钛矿光伏技术向高良率、高稳定性方向加速发展。