近日，物创海河实验室、南开大学陈永胜院士、刘永胜教授通过精巧的分子设计，实现了2D钙钛矿在埋底界面的自发形成，一举解决了结晶均匀性和缺陷钝化难题，效率突破26.3%。这项工作为解决钙钛矿埋底界面这一经典难题提供了全新的、极具巧思的解决方案。它不仅将器件效率推向了新的高度，更重要的是，其背后的分子设计思想和对结晶过程的深刻理解，为未来高性能、高稳定性钙钛矿光伏技术的发展开辟了新的道路。相关成果以“Spontaneous 2D perovskite formation at the buried interface of perovskite solar cells enhances crystallization uniformity and defect passivation”为题发表于nature photonics。

以下内容转载自《光研猿》

核心速览

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能长期受制于薄膜“上下表面”的结晶质量差异，尤其是埋底界面（perovskite/ETL界面）缺陷密度高、结晶无序，是器件性能和稳定性的关键短板。传统方法或难以作用于埋底界面，或在后续成膜过程中被破坏。

这篇发表于Nature Photonics的工作，由南开大学陈永胜院士与刘永胜教授团队主导，提出了一种极其巧妙的“一石二鸟”策略：

• 核心方法：在钙钛矿前驱液中引入特殊设计的有机阳离子卤化物盐（如DHIII或ThPyI）。这些有机间隔阳离子（organic spacers）由于其独特的分子结构（低偶极矩、平面刚性结构），在薄膜“自上而下”的结晶过程中，会发生类似“沉降”的行为，被排挤并迁移至薄膜底部。

• 关键机制：到达底部的有机阳离子自发形成一层近乎相纯的二维（2D）钙钛矿层。这一原位形成的2D层起到了双重作用：1）作为模板，诱导其上方的三维（3D）钙钛矿实现高质量、取向一致的结晶；2）有效钝化埋底界面的缺陷。

• 卓越成果：基于该策略，器件的光电转换效率（PCE）高达26.31%（经认证为26.02%），是目前n-i-p结构器件的最高效率之一。更重要的是，未封装器件在连续光照1000小时后仍保持95%的初始效率，展现出优异的工作稳定性。

“上下有别”：钙钛矿薄膜的埋底界面困境

钙钛矿薄膜的结晶过程通常是“自上而下”的，即溶剂从顶部挥发，结晶前沿向基底推进。这导致了薄膜上下表面的巨大差异，也是长期困扰研究者的一个核心问题。

• 结晶质量不均：如论文图1所示，通过剥离技术对比薄膜的顶面和底面，可以清晰看到，顶面晶粒尺寸远大于底面。GIXRD分析也证实，埋底界面的结晶度明显较差，衍射峰更弱且存在偏移。

• 缺陷密度更高：光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）测试进一步揭示了问题的严重性。埋底界面的PL强度显著低于顶面，载流子寿命也更短，这直接指向了更高的缺陷态密度和更严重的非辐射复合损失。

• 应力与取向问题：由于钙钛矿与底部电荷传输层（如SnO₂）之间存在热膨胀系数失配，埋底界面会积累显著的残余应力，这不仅会诱生缺陷，还会导致晶体取向混乱，不利于载流子的垂直输运。

这些问题共同构成了埋底界面的“阿喀琉斯之踵”，限制了器件性能的进一步提升。尽管已有研究尝试通过预置钝化层等方式解决，但这些预置层往往在旋涂钙钛矿时被溶剂冲刷或破坏，效果大打折扣。因此，如何精准、稳定地调控埋底界面，是该领域亟待突破的瓶颈。

分子工程的“沉降”智慧：自发形成的埋底2D层

这项工作的核心创新，在于通过分子工程实现了对埋底界面的“精准打击”。研究团队设计并筛选了两种新型有机间隔阳离子：DHII和ThPy，并与传统的PEA和ThMA进行了对比。

其成功的关键在于分子的物理化学性质：

• 低偶极矩与平面刚性结构：与PEA和ThMA相比，DHII和ThPy分子具有更低的偶极矩和更强的平面刚性。这导致了两个关键效应：1）它们与3D钙钛矿晶格的相互作用（结合能）更弱；2）分子间存在更强的非共价相互作用（如π-π堆积），更容易发生自聚集。

• “挤出-沉降”机制：在“自上而下”的结晶过程中，生长中的3D钙钛矿晶格对这些弱相互作用、易聚集的有机阳离子产生了“排挤效应”。它们就像不溶于水的油滴，被逐渐推向结晶前沿，最终在薄膜底部的SnO₂界面富集并形成稳定的2D钙钛矿层。不得不说，这个设计思路真是令人拍案叫绝。

原位形成的埋底2D层带来了显著的改善：

• 结晶均匀化：SEM和GIXRD结果（图2）显示，优化后的薄膜，其顶部和底部的晶粒尺寸和结晶质量几乎完全一致，解决了“上下有别”的问题。

• 取向调控与应力释放：埋底的2D层作为模板，诱导了3D钙钛矿沿（001）方向择优生长，有利于电荷输运。同时，它还作为缓冲层，有效释放了由热失配引起的界面应力。

• 结晶动力学调控：原位GIWAXS分析表明，DHIII的引入减缓了钙钛矿的结晶速率，为形成尺寸更大、缺陷更少的晶粒提供了充足的时间。

通过这一系列协同效应，该策略从根本上重塑了钙钛矿薄膜的微观结构，尤其是优化了最关键的埋底界面。

性能飞跃：效率与稳定性的双重提升

优化的薄膜质量直接转化为器件性能的巨大飞跃。研究团队制备了n-i-p结构的太阳能电池，并取得了令人瞩目的成果。

参数	对照组 (Control)	优化组 (DHIII)
PCE (%)	24.73	26.31
VOC (V)	1.165	1.196
JSC (mA/cm²)	26.11	26.26
FF (%)	81.40	83.96

• 效率新高：冠军器件效率达到26.31%，经权威机构认证为26.02%，这在同类n-i-p器件中处于顶尖水平。开路电压（V_OC）和填充因子（FF）的显著提升，直接证明了埋底界面非辐射复合的有效抑制。

• 稳定性增强：稳定性测试结果同样亮眼。未封装的优化器件在1个标准太阳光强的连续照射下（氮气氛围，~55°C），运行1000小时后，效率仅衰减5%。而在环境空气（湿度35±5%）中储存约2000小时后，仍能保持95%的初始效率。这种优异的耐久性归功于高质量的晶体以及埋底2D层提供的额外物理和化学屏障。

• 普适性强：该策略不仅适用于两步法制备，在一步法工艺中同样有效。此外，它还成功应用于宽带隙（1.70 eV）钙钛矿体系，并兼容p-i-n反式结构器件，展现了其广泛的应用潜力。

局限性与展望

尽管这项工作取得了重大突破，但仍有一些开放性问题值得我们深入思考：

1. 微观均匀性：论文提到，基于ThPyI的体系虽然也形成了埋底2D层，但其n值呈梯度分布，在纳米尺度上可能存在相畴紊乱，从而限制了性能。而DHIII形成的“近相纯”2D层效果更优。那么，这种“近相纯”在多大尺度上是均匀的？其微观形貌和缺陷分布如何？这对于理解其钝化机理至关重要。

1. 分子迁移的动力学细节：“挤出-沉降”机制的提出非常直观且合理。但有机阳离子在快速结晶过程中的具体迁移路径、速率以及影响因素（如溶剂体系、退火速率等）仍有待更精细的原位表征和理论模拟来揭示。这对于进一步优化分子设计和工艺参数具有指导意义。

1. 大面积与组件应用：该策略在1.0 cm²的大面积器件上取得了超过24%的效率，证明了其潜力。然而，从实验室走向产业化，还需要在大面积、高通量的制备工艺（如刮涂、喷涂）中验证其有效性和均匀性。埋底2D层的自发形成是否会对大面积的成膜均匀性带来新的挑战，是未来需要关注的重点。

总而言之，这项工作为解决钙钛矿埋底界面这一经典难题提供了全新的、极具巧思的解决方案。它不仅将器件效率推向了新的高度，更重要的是，其背后的分子设计思想和对结晶过程的深刻理解，为未来高性能、高稳定性钙钛矿光伏技术的发展开辟了新的道路。

图文速览

图1 | 顶部和底部表面的形貌。图2 | 通过埋底2D钙钛矿改善薄膜不均匀性。图3 | 埋底界面2D钙钛矿自发形成机理。图4 | 器件性能与稳定性。

论文信息

• 论文中文标题：钙钛矿太阳能电池埋入界面处自发形成的二维钙钛矿增强了结晶均匀性和缺陷钝化

• 论文英文标题：Spontaneous 2D perovskite formation at the buried interface of perovskite solar cells enhances crystallization uniformity and defect passivation

• 作者：Yuping Gao, Hang Liu, Zonglong Song, Yu Chen, Liu Yang, Ziyang Hu, Yu Zou, Yongsheng Chen, Yongsheng Liu

• 期刊：Nature Photonics

• 发表日期：2025.11.24

• 链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01797-9

• doi：10.1038/s41566-025-01797-9