《Nature Photonics》南开大学刘永胜、陈永胜：埋入界面自发钝化 钙钛矿PCE突破 26.31%

研究背景与核心问题

实现钙钛矿薄膜在顶部与埋入界面上的均匀结晶，对于充分发挥其光伏潜力具有重要意义，但这仍是一项未解的挑战。由于典型的自上而下（top-down）结晶过程，埋入界面的结晶质量通常不如顶部表面，导致较高的缺陷密度和非辐射复合损失。此外，钙钛矿与底部层之间热膨胀系数不匹配，会在埋入界面产生显着残余应变，进一步促进缺陷形成。尽管埋入界面对器件性能具有关键影响，但现有的结晶控制策略大多专注于体相材料本身。

该研究由南开大学的陈永胜、刘永胜教授团队主导，并发表于学术期刊《Nature Photonics》。

研究团队提出一步法策略，将有机阳离子卤化物盐（如2,3-dihydroisoindole hydroiodide, DHIII）引入钙钛矿前驱体溶液中。DHIII具有低偶极矩和平面刚性结构，这些特性使其在结晶过程中能够聚集并向下迁移至底部界面，自发形成二维钙钛矿层。该埋入的二维钙钛矿层既能调控结晶动力学，又能有效钝化界面缺陷。采用此策略后，n-i-p架构器件的功率转换效率（PCE）达到26.31%，经认证的PCE为26.02%。（图4a）

J-V、Voc与EQE表征分析

器件的光伏特性（J-V曲线）采用Keithley 2400源表在标准AM1.5G照度（100 mW cm^-2）下测量。光源强度由Enlitech的SS-F5-3A模拟器（SS-X）提供，并通过标准硅参考电池校准，该校准可追溯至NREL。测量采用光圈掩模定义器件有效面积（小面积器件为0.0421 cm^2）。

冠军器件的J-V曲线（图4a）显示，DHIII处理器件的性能参数为：Voc 1.196 V、Jsc 26.20 mA cm^-2、填充因子（FF）83.96%，PCE达26.31%。对照组的最佳器件性能则为Voc 1.165 V、Jsc 26.06 mA cm^-2、FF 81.40%，PCE 24.73%。

数据统计（图4b）证实DHIII处理器件的平均效率（25.80%）显着高于对照组（23.86%）。

DHIII处理器件的Voc提升（由1.165 V增至1.196 V）主要归因于界面缺陷减少和非辐射复合受到抑制。光强依赖性Voc测量结果亦证实，DHIII器件具有较低的复合率。通过空间电荷限制电流（SCLC）方法分析，DHIII处理薄膜的陷阱填充极限电压（V_TFL）从对照组的约1.12 V降至约0.81 V，计算结果显示陷阱密度从约1.35×10^16 cm^-3降至约9.79×10^15 cm^-3。该数据提供了直接证据，证明埋入的二维层有效钝化了深层缺陷。（图S17C、21C）

器件的外量子效率（EQE）曲线（图S17D）使用Enlitech的QE-R太阳能电池光谱响应测量系统测量。DHIII处理器件的EQE曲线与对照组相比，吸收边缘略微红移，积分电流与Jsc实测值高度吻合。Jsc略微增加（从26.06 mA cm^-2增至26.20 mA cm^-2）是DHIII引入后薄膜带隙轻微窄化和应变松弛效应的结果。

为了进一步解析埋入界面的质量，研究进行了光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）测量。

对照组薄膜的埋入界面PL发射显着较弱，且TRPL载流子寿命较短，表明其缺陷密度和非辐射复合损失较高。相对而言，引入DHIII后的目标薄膜，其埋入界面的PL强度和载流子寿命几乎与顶部表面相同（图1i、1f），证实了埋入界面结晶质量与钝化效果的显着提升。

瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测量也显示，DHIII处理器件的载流子寿命更长，提取更快。在探测埋入SnO2界面的SnO2/PVSK堆叠中，DHIII引入的载流子寿命提升了约五倍。（图S9、21A、B）

结论与研究成果

该研究成功展示了通过分子工程设计DHIII阳离子，实现一步法在钙钛矿埋入界面自发形成近乎纯相n=2二维钙钛矿层的策略。

该埋入二维层（1）缓冲了热失配引起的应变；（2）调节了结晶动力学，促进了更大的晶粒和优化的晶体取向（如垂直载流子传输的优选面取向）；（3）有效钝化了界面陷阱，抑制了非辐射复合。最终，DHIII处理的n-i-p器件达到26.31%的高PCE，且该增益与器件的沉积方法（一步法/两步法）和带隙组成（1.55 eV或1.70 eV）无关。（图2）

研究团队解决了长期困扰钙钛矿光伏领域的埋入界面质量不均问题。Voc和FF的显着提升直接体现了DHIII成功钝化界面缺陷的效果。该方法不仅提升了效率，还大幅增强了稳定性：未封装器件在连续光照（55°C，N2环境）1,000小时后仍保持初始PCE的95%；环境稳定性测试（35%相对湿度）显示，储存约2,000小时后仍保持95%的初始PCE。（图4d、e）

该研究强调了有机间隔阳离子的分子设计（如低偶极矩和平面刚性）在控制埋入二维钙钛矿分布方面的关键作用。这为未来高性能PSCs的界面工程提供了一个有前景的方向。后续研究应着重于将该策略应用于叠层电池架构中的宽带隙顶电池，进一步验证埋入二维层在极限条件下（如高温或高湿度）的长期热光稳定性，并探索在工业化制程中，如狭缝涂布（slot-die coating）等方法，实现埋入二维层的自发形成。