Science：又是钙钛矿！

米测MeLab

2026-01-13

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

维度异质结（3D/低维钙钛矿层）是提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能的有效策略，能通过化学钝化和场效应钝化表面缺陷。

关键问题

目前，多维度异质结的开发主要存在以下问题：

1、传统配体化学稳定性不足

单价铵盐配体与钙钛矿晶格的配位较弱，且酸离解常数（pKa）较低，在热或光照压力下极易脱质子并引发离子迁移，导致3D/低维界面加速退化。

2、低维结构形成机制不明

脒基配体虽能诱导形成1D或2D结构，但决定其维度的分子构效关系不明确；且1D结构的各向异性导致表面覆盖不均，难以实现有效的缺陷钝化与能级对齐。

新思路

有鉴于此，KAUST太阳能中心Thomas D. Anthopoulos和香港中文大学Randi Azmi等人引入了一种可控的从一维到二维（1D到2D）的结构转变策略，通过系统调节配体构象，从而调制氢键、π-π堆叠和碱性，以阐明分子结构、界面相互作用与所得维度之间的关系。1D脒基钙钛矿结构具有显著的几何各向异性，阻碍了均匀的表面覆盖和缺陷钝化。相比之下，2D脒基钙钛矿形成了连续且均匀的界面层，能够实现更有效的缺陷钝化和更有利的能级对齐。通过维度控制，倒置3D/2D脒基钙钛矿太阳能电池实现了25.4%的能量转换效率（1.1平方厘米，稳态认证），并在85°C、1个太阳连续运行1100小时后保持了初始效率的95%以上。

技术方案：

1、分析了配体选择与维度调控机制

DFT计算和实验表明，多价脒基配体通过氢键与π–π堆叠的竞争调控钙钛矿维度，m-APY形成2D结构，提升了化学稳定性。

2、表征了3D/LD钙钛矿性质

2D-m-APY钝化层可形成均匀致密膜，降低表面粗糙度，优化电导率分布，优于1D配体，提升载流子传输效率。

3、分析了化学与钝化效应

含吡啶环的配体（如m-APY）在旋涂和热退火中表现出更强的PL增强和稳定性，优化能级对齐，延长载流子寿命，提升器件性能。

4、测试了器件性能与稳定性

2D-m-APY修饰的钙钛矿太阳能电池在1.1 cm²面积上达25.4%效率，6.8 cm²组件效率24.2%，耐热性强，85°C老化1200小时后效率>84%，展现优异稳定性。

技术优势：

1、提出了碱性引导的构象调节策略

研究通过精准调控吡啶环氮原子的位置和碱性，竞争性地用氢键网络取代强π-π堆叠，成功实现了从1D到2D结构的受控转变。

2、实现了高效且超稳的倒置组件

利用2D脒基钝化层，在倒置钙钛矿太阳能电池和组件中均取得了创纪录的效率，并展现出卓越的耐热和耐光性能，解决了大面积制备中的扩展损失问题。

技术细节

配体选择与维度调控机制

研究者通过密度泛函理论（DFT）计算和单晶生长实验，系统分析了多价脒基配体对低维（LD）钙钛矿维度的调控作用。实验选择了包括单价铵盐（如BZAM）和多价脒基（如BZA、m-APY）在内的系列配体。研究发现，脒基配体由于其共振稳定的平面几何形状，通常倾向于形成1D结构，因为π–π堆叠在1D排列中能量更优。然而，m-APY（间位脒基吡啶）表现出特殊的2D形成倾向。这是因为m-APY中吡啶氮原子的碱性较强，且其与脒基的空间分离减少了位阻，使得密集的分子间氢键网络取代了强π–π堆叠，从而稳定了Ruddlesden–Popper型2D结构。此外，脒基配体普遍具有比传统铵盐更高的酸离解常数（pKa），这意味着其抗脱质子能力更强，化学稳定性显著提升。这种通过调节吡啶氮原子的位置和碱性来竞争性平衡氢键与π–π堆叠的策略，为精确控制钙钛矿维度提供了全新的分子准则。

图  LD钙钛矿封端的配体选择

3D/LD钙钛矿性质表征

通过GIWAXS和SEM等表征手段，研究者对比了1D和2D钝化层对3D钙钛矿薄膜的影响。GIWAXS结果显示，m-APY形成的2D相位与基底高度平行排列，展现出极佳的取向性。在形貌上，1D配体（如BZA、o-APY）通常在3D晶粒表面形成粗大的棒状晶体，导致表面粗糙度增加且覆盖不均。相比之下，2D-m-APY层能形成连续、均匀且致密的钝化膜，并能有效消耗表面过剩的PbI₂。AFM测试证实，2D钝化层显著降低了表面均方根粗糙度（从19.94 nm降至16.16 nm）。C-AFM电流图进一步表明，2D-m-APY异质结不仅提供了更均匀的横向电导率分布，还消除了表面缺陷导致的非均匀电流密度，有利于载流子的高效提取和传输。这种卓越的界面覆盖能力和形貌均匀性，是2D钝化层优于其1D对应物的关键物理基础。

图  3D/LD钙钛矿性质

化学与钝化效应分析

原位荧光光谱（PL）监测显示，含吡啶环的配体（m-APY, m-AMPY）在旋涂过程中表现出更强的PL增强，证明吡啶氮原子能有效钝化未配位的Pb²⁺缺陷位点。在热退火过程中，基于m-APY的薄膜保持了更高的荧光强度，显示出更稳固的钝化效果。XPS分析证实，脒基配体（m-APY）比传统的铵盐配体（m-AMPY）具有更高的化学稳定性，在热压力下不易脱质子或与晶格中的FA⁺发生副反应。此外，UPS和KPFM测量表明，2D钝化层的引入诱导了更强的n型特性，显著优化了钙钛矿与电子传输层（C₆₀）之间的能级对齐。这种能级的精准匹配直接反映在器件填充因子（FF）的提升上。通过时间分辨荧光光谱（TRPL）验证，m-APY处理后的薄膜载流子寿命显著延长，再次确证了其卓越的界面缺陷钝化能力。

图  化学和钝化效应

器件性能与稳定性测试

基于维度调控策略，研究者制备了高性能倒置钙钛矿太阳能电池和组件。2D-m-APY修饰的器件在1.1 cm²面积上实现了25.4%的稳态认证能量转换效率（PCE）。在更大规模的4 cm × 4 cm基底上，6.8 cm²的小组件实现了24.2%的效率，显示出极低的扩展损失。稳定性方面，m-APY基器件展现出极强的耐热性，在85°C下热老化1200小时后仍保持>84%的初始效率，远优于发生严重退化的传统配体器件。TOF-SIMS深度剖析证实，m-APY在老化后仍牢牢锁定在界面处，未发生明显的离子扩散或结构坍塌。在1个太阳光照、85°C和>40%湿度的双重压力下，封装器件在持续运行1100小时后，效率保持率超过95%。这一结果证明了多价、共振稳定的脒基2D层在提升大面积组件功率输出和长期服役寿命方面的巨大潜力。

图  光伏性能和稳定性

展望

本文成功证明了通过分子工程精准调控脒基配体的构象与碱性，可以实现从1D到2D钙钛矿结构的转变。这种稳定的2D脒基钝化层不仅提供了卓越的界面缺陷钝化和能级匹配，还显著增强了器件在极端热、光环境下的稳定性。该策略为开发高效、长寿、可扩展的倒置钙钛矿太阳能组件提供了通用的分子设计准则，标志着钙钛矿光伏技术向商业化应用迈出了重要一步。

参考文献：

XIAOMING CHANG, et al. Multivalent ligands regulate dimensional engineering for inverted perovskite solar modules. Science, 2026, 391(6781):153-159.

DOI: 10.1126/science.aea0656

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea0656#tab-contributors