逄淑平/周圆圆，Nature Synthesis！

米测MeLab

2026-03-10

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

倒置 (p–i–n) 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 因其商业化潜力而备受关注，但其光伏稳定性和性能受限于钙钛矿薄膜埋底界面的缺陷。目前主流器件采用自组装单分子层 (SAMs) 作为空穴传输层，但 SAMs 的疏水性会导致钙钛矿前驱体溶液在大面积润湿上存在困难，并在薄膜底部形成物理空隙和纳米沟槽，严重阻碍电荷提取并降低器件可靠性。

关键问题

目前，自组装单分子层的应用主要存在以下问题：

1、SAM底界面的疏水润湿难题

SAMs层由于苯环的存在而具有疏水性，导致前驱体溶液在大面积涂布时铺展困难，增加了界面能并限制了底部形核，不可避免地在界面处产生形貌空隙。

2、埋底界面缺陷调控的局限性

由于底界面被钙钛矿本体掩埋，传统针对顶界面的修饰手段难以生效，且超薄的SAM层限制了分子添加剂预埋法的使用，导致界面处的形态和电子缺陷难以根除。

新思路

有鉴于此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所逄淑平，香港科技大学周圆圆等人利用低维卤化物晶体溶剂化物 (CSVs)进行预晶种诱导，触发钙钛矿薄膜底部形成，从而抑制形态和电子缺陷。CSV实现了钙钛矿前驱体溶液在SAMs 上的纳米结构引导润湿，并开启了薄膜底部的晶格限制溶剂退火，减少了界面空隙和纳米沟槽。该方法还导致CSV 衍生的卤化物化合物在薄膜底部产生钝化，减少电子缺陷并实现有利于空穴提取的界面能级。CSV 预晶种实现的序列多功能性超越了传统晶种策略中的成核控制。最终，倒置钙钛矿太阳能电池实现了26.13% 的能量转换效率和86.75% 的高填充因子。这些器件在 ISOS-L-1 和 ISOS-T-1 测试协议下表现出改善的光和热稳定性。CSV 预晶种的可扩展性通过49.91 cm² 钙钛矿太阳能微型组件实现，其效率达到23.15%。

技术方案：

1、设计了CSV预晶种的结构

采用PDPbI₄·DMSO低维卤化物晶体溶剂化物作为预晶种，其纳米棒形貌显著改善前驱体在SAM表面的润湿性，加速异质结形核，为高质量薄膜生长奠定了基础。

2、研究了晶格限制溶剂退火与界面微观形貌修复

CSV策略通过"晶格限制溶剂退火"缓释DMSO，使晶粒垂直穿透并消除界面空隙，纳米沟槽角度从23.9°降至7.8°，显著增强界面粘附力和光热稳定性。

3、证实了界面电子特性重构与载流子动力学增强

CSV退火后衍生的PDPbI₄在底界面富集，有效钝化缺陷、优化能级排列，促进空穴提取，显著提升了界面电荷转移效率及器件填充因子和开路电压。

4、展示了卓越的光伏性能表现与大面积可扩展性

CSV策略实现了小面积器件效率26.13%，未封装器件千小时光照保持90%效率，85°C运行760小时保持85.4%，并成功制备49.91 cm²微型组件，认证效率22.79%，展现出优异稳定性和可扩展性。

技术优势：

1、提出了创新的晶格限制溶剂退火机制

研究利用CSV中的晶格限制DMSO分子在退火过程中缓慢释放，实现了独特的“原位溶剂退火”效果，有效消除了传统方法难以处理的底界面物理空隙并平整了纳米沟槽。

2、开发了多功能序列调控策略

CSV 预晶种集引导润湿、诱导异质结形核、调节晶粒形态及界面钝化于一体，不仅提升了单电池效率至26.13%，更在49.91 cm² 微型组件上实现了极小的效率损失。

技术细节

CSV预晶种的结构设计与润湿诱导机制

研究者选择了一种化学式为PDPbI₄·DMSO的低维卤化物晶体溶剂化物作为预晶种。XRD 分析表明该 CSV 具有二维正交晶体结构，其中 [PbI₆]⁴⁻ 八面体呈锯齿状排列，并被哌嗪阳离子 (PD²⁺) 和 DMSO 分子隔开。这种 CSV 易于生长成高长宽比的纳米棒形貌，能够有效地引导钙钛矿前驱体液体在疏水的 SAM 表面铺展。实验结果显示，引入CSV预晶种后，前驱体在SAM上的润湿角从31.29∘显著降低至17.97∘，表面能得到大幅提升。此外，原位光谱跟踪表明 CSV 的高比表面积纳米结构能加速钙钛矿的异质结形核过程，使得吸光薄膜的形成速度明显快于无晶种的对照组，为后续高质量薄膜的生长奠定了坚实基础。

图  CSV预晶化机制

晶格限制溶剂退火与界面微观形貌修复

CSV策略的核心优势在于其独特的“晶格限制溶剂退火”过程。在热退火过程中，原本被束缚在 CSV 晶格中的 DMSO 分子会受热释放。TGA 和 XPS 分析证实，随着退火进行，底部的 S 元素信号逐渐消失，表明溶剂分子已从晶格中溢出。这种缓释的溶剂分子在钙钛矿薄膜底部起到了原位调节作用，使得晶粒能够紧密排列并垂直穿透薄膜厚度，从而消除了常见的界面空隙。AFM 表征显示，界面处的纳米沟槽角度从23.9∘被拉平至7.8∘。这种形貌上的重塑不仅增强了钙钛矿与底层 SAM 的物理接触和机械粘附力（粘附等级从 0B 提升至 4B），还有效抑制了在光照应力下因空隙引起的微观结构退化，显著增强了界面的光热稳定性。

图  CSV预晶化前后钙钛矿薄膜底部的微观结构

界面电子特性重构与载流子动力学增强

除了形貌改善，CSV 退火后留下的衍生卤化物化合物（如PDPbI₄）在底界面起到了关键的钝化作用。TOF-SIMS 和高分辨 TEM 证实了 PD⁺ 阳离子及相关钝化相在埋底界面的富集，这有效降低了界面缺陷态密度。能级测试分析表明，CSV 修饰后钙钛矿底部的价带顶（VBM）发生上移，使能级排列更趋向于空穴提取，同时费米能级的移动减弱了薄膜底部的 n 型特征，诱导出有利于电荷收集的带弯曲。瞬态吸收光谱 (TA) 和时间分辨荧光光谱 (TRPL) 进一步验证了这一效果：目标薄膜表现出更快的载流子猝灭和荧光衰减速率，证明界面电荷转移效率大幅提升。这种电子特性的优化配合缺陷的减少，显著提升了器件的填充因子 (FF) 和开路电压 (V_OC)。

图  改进的装药动力学、机械可靠性和微结构稳定性

卓越的光伏性能表现与大面积可扩展性应用

在小面积器件中，采用 CSV 预晶种策略的电池实现了高达 26.13% 的效率，其 FF 达到 86.75%，接近肖克利-奎塞尔极限的 96%。对比实验表明，该策略在稳定性方面表现优异：未封装器件在 1000 小时光照追踪下保持了 90% 以上的初效率，而在 85°C 连续运行 760 小时后仍保留 85.4% 的效率，远超对照组的 40.5%。更为重要的是，CSV 策略展现了极佳的可扩展性。研究团队利用缝模涂布法成功制备了有效面积为 49.91 cm² 的微型组件，其转换效率高达 23.15%，第三方认证效率也达到 22.79%。这种从实验室电池到工业级组件的极小效率损失，证明了 CSV 预晶种法在钙钛矿光伏商业化进程中的巨大潜力。

图  太阳能电池效率、稳定性和可扩展性

展望

本文通过引入低维晶体溶剂化物(CSV)预晶种，成功解决了倒置钙钛矿电池中埋底界面难以润湿和缺陷过多的瓶颈。该方法利用纳米结构引导润湿和晶格限制溶剂退火的协同作用，完美修复了界面空隙和电子缺陷，实现了26.13% 的超高效率。研究证明了该策略在提升器件光热稳定性及大面积制造一致性方面的卓越价值，为钙钛矿光伏及其他柔性电子器件的界面工程提供了普适性的创新路径。

参考文献：

Sun, X., Hao, M., Wang, K. et al. Crystal-solvate pre-seeded synthesis for scalable perovskite solar cell fabrication. Nat. Synth (2026). 

https://doi.org/10.1038/s44160-026-00993-x