这篇Nature Synthesis，彻底解决低维钙钛矿垂直导电性差的长期难题！

米测MeLab

2026-05-20

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

传统的钙钛矿研究主要集中在热力学稳定结构上，这限制了新型架构的发展。虽然二维 (2D) 钙钛矿具有出色的稳定性，但传统的高温加工方法往往导致晶体水平取向，从而产生巨大的垂直电荷传输损耗。因此，开发一种能够在环境条件下制造具有优异垂直导电性和有利能带对齐的动力学稳定相的可扩展方法，对于提升钙钛矿太阳能电池的效率和商业化潜力至关重要。

关键问题

目前，钙钛矿太阳能电池的应用主要存在以下问题：

1、低维钙钛矿电荷传输受限

传统的溶液处理方法制造的低n值二维钙钛矿薄膜容易产生水平方向的层排列，这种排列方式会由于绝缘有机隔层阻断垂直电荷传输，导致严重的传输损耗，极大地限制了器件性能。

2、热加工诱导的不均匀性

现有的快速结晶或热铸方法虽然能部分诱导动力学稳定产物，但其通常需要的适度加热过程容易触发不良的分支反应，产生杂质和不均匀性，从而严重损害了器件的大面积制备和可扩展性。

新思路

有鉴于此，莱斯大学Aditya D. Mohite、Yeoun-Woo Jang及首尔大学Mansoo Choi等人引入了一种选择性碘铅酸盐冷铸 (SICC) 工艺，能够形成对应于反应能量景观中局部最小值的动力学产物。通过结合简化的前驱体与室温结晶，SICC 可以复制反应物成分的变化，从而实现传统方法无法获得的多种结构。作者展示了一种利用通常已知会形成三维 (3D) 钙钛矿的阳离子所形成的低维波纹结构。此外，动力学稳定的 n = 1 二维 (2D) 钙钛矿薄膜显示出与其相关长度相当的晶粒尺寸，以及具有 >21% 面外排列的混合取向。这些特征增强了垂直电荷传输，并为 3D:2D 异质结构提供了有利的能带对齐。高相纯度和晶体特征在 n>1 的钙钛矿中也得到了重现。为了证明 SICC 的可扩展性，制造了一个 50 cm²的 3D:2D 钙钛矿迷你模组。这种基于 SICC 的迷你模组实现了 22.15% 的显著效率和 94.36% 的几何填充因子。它还表现出卓越的稳定性，在 ~50 °C 的最大功率点跟踪条件下维持 T₉₀ 超过 1,200 小时。

技术方案：

1、开发了用于动力学稳定钙钛矿的 SICC工艺

利用溶剂给体数差异调节碘铅酸盐配位，实现 [PbI₄]^2-前驱体精准控制，在室温下诱导形成传统热加工难以达到的动力学稳定相。

2、研究了动力学稳定的二维钙钛矿的晶体学

SICC 赋予薄膜 >21% 的垂直取向比例，晶粒尺寸与相干长度高度一致，构建了突破有机绝缘层限制的高效垂直电荷传输通道。

3、探究了SICC-2D 的电荷传输和光伏特性

薄膜电导率提升三倍且具备更低的陷阱密度，通过优化的能带对齐实现高效空穴提取，使小面积3D:2D器件PCE达到25.14%。

4、展示了大面积迷你模组性能

作者成功制备了50 cm²迷你模组，效率达 22.15%，表现出极高的工艺均匀性和长期运行稳定性 (T₉₀ > 1000h)，验证了SICC的商业化潜力。

技术优势：

1、提出了开创性的SICC工艺

研究开发了一种基于前驱体调控的选择性碘铅酸盐冷铸造技术，利用软硬酸碱理论精细调节溶剂相互作用，在无需热退火的情况下通过快速自组装获得高结晶度、高纯度的动力学稳定相。

2、实现了卓越的模组性能与稳定性

本文实现了小面积器件25.14%的转换效率，并成功扩展至 50 cm²迷你模组，效率达22.15%，且在连续运行下展示了超过1000小时的长期稳定性，为低维材料的商业应用提供了强力支持。

技术细节

用于动力学稳定钙钛矿的SICC

SICC 工艺的核心在于通过调节前驱体溶液中的碘铅酸盐物种来控制动力学产物的形成。研究者利用软硬酸碱 (SHAB) 理论，通过混合高给体数 (DN) 溶剂 NMP 和低 DN 溶剂 ACN，实现了对 Pb²⁺离子协调环境的精准调控。相比于传统使用 DMF:DMSO（8:1）产生的高度溶剂化、类似 3D 结构的混合物，SICC 溶剂体系能够选择性地诱导形成 [PbI₄]^2-物种，这与 n=1 二维钙钛矿的化学计量比高度一致。这种简化的前驱体状态允许钙钛矿在环境温度下通过快速自组装结晶，而无需传统的热退火过程。实验表明，这种方法甚至可以稳定在传统系统中难以获得的相，例如使用甲胺 (MA) 阳离子形成的波纹状二维相，这证明了 SICC 能够进入反应能量景观中的局部最小值，从而拓宽了钙钛矿材料的选择范围。此外，SICC 产生的薄膜在不加热的情况下就具备了极高的相纯度和表面平整度，有效避免了加热可能导致的杂质生长。

图  SICC 制备动力学稳定钙钛矿的化学策略

动力学稳定的二维钙钛矿的晶体学

晶体学分析揭示了 SICC 制造的 n=1 二维钙钛矿 (SICC-2D) 具有显著的结构优势。GIWAXS 测试显示，SICC-2D 薄膜展现出清晰的 (00k) 面衍射信号，且与传统对照组相比，其更高阶的衍射峰显著增强，表明其结晶度更高。高分辨率 1D-XRD 和 Halder–Wagner 分析进一步证实，SICC-2D 沿着堆叠轴的相干长度（约 55.8 nm）与其晶粒尺寸几乎匹配，这意味着其内部结构具有极高的连贯性。最关键的是，4D STEM-NBD 测量证实薄膜中存在约 21.4% 的垂直取向晶粒以及大量倾斜晶体，这种混合取向绕过了绝缘有机隔层的阻隔，为垂直电荷传输提供了“高速公路”。这种特殊的动力学生长模式受 Gibbs 能量降低驱动，使得 SICC 薄膜在保持单个晶粒高结晶度的同时，在宏观堆叠上表现出有利于导电的取向无序感，这与传统法形成的完全水平排列截然不同，极大地提升了二维钙钛矿的本征导电能力。

图  使用SICC-2D制造的动力学稳定n = 12D钙钛矿薄膜的晶体学分析

SICC-2D 的电荷传输和光伏特性

在电荷传输方面，c-AFM 成像清晰地展示了 SICC-2D 薄膜优异的垂直电流分布。相比于对照组薄膜中大面积的暗区（代表传输受阻），SICC 薄膜表现出明亮且均匀的电流映射，对应于垂直排列的高结晶区域和促进电荷通过的晶界。电学测试显示，SICC-2D 的平均电导率（5.13 × 10^-6 S/cm）约为对照组的三倍，且迁移率更高、陷阱密度更低。这种优异的物理性能转化为了卓越的光伏表现。当作为界面层集成到 3D:2D 双层结构中时，SICC-2D 与 underlying 3D 钙钛矿形成了有利的能带对齐（价带偏移仅为 ~0.06 eV），有效促进了空穴提取并阻挡了电子损耗。最终，小面积器件 (0.094 cm²) 实现了高达 25.14% 的功率转换效率 (PCE)，开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF) 均较传统器件有显著提升，且器件的迟滞效应微乎其微。

图  SICC-2D钙钛矿的电荷传输、电子结构和光伏特性

大面积迷你模组性能

SICC 工艺的室温、快速析晶特性使其在大面积制备上具有天然优势。研究人员在 7.1 cm×7.1 cm 的基底上成功制备了镜面般平整的 2D 薄膜，避免了传统热加工中常见的核不均匀生长和弧形图案缺陷。基于此开发的 50 cm²迷你模组实现了22.15% 的平均效率，其几何填充因子 (GFF) 高达 94.36%。模组分析显示，SICC 技术极大地提高了边缘电池的均匀性，显著减少了 Voc 和 FF 的损失。在稳定性测试中，该迷你模组在 ~50 °C 和 1 个太阳光照下运行 1,200 小时后，依然能够维持其初始效率的 85.9%，其 T₉₀ 寿命超过 1,000 小时，远远优于仅 58 小时就发生严重退化的 3D 基准器件。这一结果充分证明了动力学稳定的 2D 层不仅提升了器件效率，更通过其连续、无缺陷的形貌为底层钙钛矿提供了极佳的保护，推动了高效稳定钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

图  基于动力学稳定钙钛矿的大面积微型模块的性能

展望

本文通过引入选择性碘铅酸盐冷铸 (SICC) 工艺，成功突破了传统钙钛矿制造中热力学稳定性的限制。SICC 不仅能在室温环境下产生高纯度的动力学稳定 2D 钙钛矿相，还通过诱导独特的垂直晶体取向，彻底解决了低维钙钛矿垂直导电性差的长期难题。该技术在提升光伏效率的同时，极大增强了大面积模组的均匀性与稳定性，为未来超高效率（如三结叠层电池）和商业化太阳能组件的开发开辟了新途径。

参考文献：

Jang, YW., Lee, S., Yoo, Y. et al. Selective iodoplumbate cold casting for kinetically stabilized perovskites leading to high-efficiency photovoltaic modules. Nat. Synth (2026). 

https://doi.org/10.1038/s44160-026-01070-z