本文为单一原创研究（类型a），以下为学术报告。
本研究报告展示了香港理工大学应用物理系黄玉兰（Yulan Huang）、吴韬（Tom Wu）团队联合吉林大学张立军（Lijun Zhang）团队、澳门大学邢贵川（Guichuan Xing）团队、香港城市大学蔡嵩骅（Sai-Wing Tsang）团队、深圳职业技术大学胡汉林（Hanlin Hu）团队等多家单位合作完成的一项关于芳香杂环配体在钙钛矿光伏中平衡缺陷钝化与异质结构形成的研究。论文发表于Advanced Materials，2026年，DOI为10.1002/adma.74912。共同第一作者为黄玉兰、李慕宸、蔡清斌、张卓琼；通讯作者为胡汉林、邢贵川、张立军、吴韬。
一、研究背景与目的
反式钙钛矿太阳能电池（inverted perovskite solar cells，PSCs）在效率和运行稳定性方面具有巨大潜力，但界面处的寄生电荷复合仍然限制其性能。铵配体（ammonium ligands）作为添加剂和表面处理剂，文献报道既可以形成二维/三维（2D/3D）异质结，也可以形成钝化层，但何种分子促进2D/3D混合相异质结构形成、何种仅钝化表面缺陷而不改变钙钛矿结构，此前缺乏清晰的规律。此外，反式器件中2D/3D异质结往往因2D层导带底（conduction band minimum，CBM）较高而产生电子阻挡势垒，不利于电子提取。本研究首先利用大语言模型（large language models，LLMs）进行文献挖掘来系统梳理近十年报道的配体分子，发现噻唑（thiazole）类配体存在显著的知识空白。基于此，作者选取噻吩基配体thiophen-2-ylmethanamine hydrochloride（TPMA）和噻唑基配体1,3-thiazol-2-ylmethanamine hydrochloride（TMA）作为模型体系，通过对比研究来解耦化学钝化与2D/3D异质结构形成的不同作用。
二、研究流程与方法
研究流程包括LLM文献挖掘、第一性原理计算、钙钛矿薄膜制备与结构表征、结晶动力学与薄膜质量分析、光伏器件制备与性能测试五个部分。
在文献挖掘部分，作者利用双向编码器表示变换器（bidirectional encoder representations from transformers，BERT）对通过Semantic Scholar API获取的21,172条学术记录进行筛选、分类与结构化提取，重点关注“2D/3D异质结构”和“钝化”两个核心主题。LLM代理（agent）被指示进行多步推理以确保数据完整性和化学精确性，人工经验反馈用于优化分类与数据集构建。分析发现，钝化类文献中PMMA、硫脲等分子出现频率最高，但噻唑分子鲜有报道；2D/3D异质结构构建中常用的配体为苯乙胺（PEA）、丁胺（BA）等。该结果直接指导了TPMA/TMA对比体系的设计。
在理论计算部分，作者使用Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）进行基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的第一性原理计算，由JAMIP（Jilin Artificial-intelligence aided Materials-design Integrated Package）软件自动化管理工作流。研究对象为FAPbI₃钙钛矿表面模型，构建了2×2×3超胞并切割为板层模型，引入20 Å真空层。以间隙铅缺陷（Pbᵢ）作为欠配位Pb的代表模型。计算内容包括静电势（electrostatic potential，ESP）分布、偶极矩、优化结构、轨道投影能带结构、差分电荷密度、Bader电荷分析、晶体轨道哈密顿布居（crystal orbital Hamiltonian population，COHP）分析、碘空位形成能以及2D/3D异质结界面结合能。长程范德华力采用optB86b-vdW泛函描述。
在薄膜制备与表征部分，钙钛矿组分为Cs₀.₀₅FA₀.₈₅MA₀.₁PbI₃，TPMA和TMA以1 mol%浓度掺入前驱体溶液。表征手段包括掠入射广角X射线散射（grazing-incidence wide-angle X-ray scattering，GIWAXS）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、高分辨透射电子显微镜（high-resolution TEM，HRTEM）、光致发光（photoluminescence，PL）光谱、原位PL、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、时间分辨光致发光（time-resolved PL，TRPL）、光热偏转光谱（photothermal deflection spectroscopy，PDS）、紫外光电子能谱（UPS）等。器件结构为glass/ITO/perovskite(SAM掺杂)/PC₆₁BM/BCP/Ag。
三、主要结果
理论计算结果显示，TMA的偶极矩为1.88 Debye，显著高于TPMA的1.07 Debye。TMA与Pbᵢ之间的Pb-S键长为3.15 Å，远短于TPMA的4.04 Å，表明TMA与Pb缺陷之间存在更强的相互作用。能带结构计算表明，TPMA仅将Pbᵢ的深能级缺陷态转化为较浅的缺陷态，而TMA则有效消除了深能级态并将其推向导带边缘。COHP分析中，TMA的Pb-S键相互作用强度为-0.86，TPMA仅为-0.12；Bader电荷分析显示TMA向钙钛矿转移0.166 e⁻，比TPMA的0.017 e⁻高一个数量级。碘空位形成能计算表明，TMA钝化表面的碘空位形成能（3.73–3.91 eV）显著高于TPMA钝化表面（2.82–3.46 eV），说明TMA能更好地稳定碘晶格。2D/3D异质结构结合能计算显示，TPMA基异质结的结合能为-1.409 eV，远低于TMA基的-0.377 eV，表明TPMA强烈倾向诱导2D相成核，而TMA不足以驱动2D相形成。
实验表征与理论预测一致。GIWAXS和XRD均证实TPMA薄膜在qz≈5.4 Å⁻¹和5.64°处出现2D钙钛矿特征峰，而TMA薄膜为纯3D钙钛矿结构。HRTEM显示TPMA薄膜中存在随机分布的2D结构，TMA薄膜为纯3D结晶。PL光谱中TPMA薄膜在500–600 nm范围出现2D相发射峰，TMA薄膜无此特征。TMA薄膜的PL强度显著高于对照和TPMA薄膜，说明其缺陷密度更低。原位PL揭示TMA掺入引发“溶解-再结晶”过程，有效抑制初始晶粒过度长大。AFM显示TMA薄膜表面粗糙度为22.4 nm，低于对照（28.7 nm）和TPMA薄膜（24.1 nm）。XPS中Pb 4f峰在TMA掺入后向高结合能方向移动0.50 eV，远大于TPMA的0.13 eV移动，证明TMA与钙钛矿之间电子共享更强。TRPL显示TMA薄膜载流子寿命延长至2.55 μs，优于对照（1.74 μs）和TPMA薄膜（2.37 μs）。PDS测得的Urbach能量在TMA薄膜中降至19.45 meV，低于对照（21.12 meV）和TPMA薄膜（21.24 meV）。器件理想因子在TMA器件中降至1.37，低于对照（1.56）和TPMA器件（1.55）。UPS表明TMA薄膜功函数从4.97 eV降至4.85 eV，CBM下移0.12 eV，有利于电子向PC₆₁BM的提取。
器件性能方面，TMA基反式PSC实现了26.81%的光电转换效率（power conversion efficiency，PCE），开路电压1.190 V，填充因子85.66%，经认证效率为26.43%。TPMA器件效率为25.46%，对照器件为23.98%。30个器件的统计显示TMA器件效率分布为25.06%–26.81%，平均26.02±0.48%，重复性良好。在最大功率点连续光照1000小时后，TMA器件保持初始性能的96.4%，而对照器件保持75.1%，TPMA器件仅保持57.8%。
四、结论与价值
本研究通过LLM辅助文献挖掘发现噻唑类配体的知识空白，并选取结构相似但杂原子不同的TPMA/TMA配对体系，从理论和实验上清晰解耦了2D/3D异质结构形成与缺陷钝化两种机制。TMA凭借大偶极矩和强电荷转移能力有效钝化Pbᵢ缺陷并抑制碘空位形成，提高钙钛矿结晶质量、降低陷态密度、延长载流子寿命、优化界面能级排列，最终实现高效率与优异稳定性。研究建立了小芳香配体的通用设计原则，即通过官能团多样性控制配体-钙钛矿配位与缺陷钝化，为理性设计高效稳定钙钛矿光伏材料提供了数据驱动的研究范式。