学术报告

一、研究的主要作者、机构及发表期刊信息

这篇论文的标题为“Stabilization of 3D/2D Perovskite Heterostructures via Inhibition of Ion Diffusion by Cross-Linked Polymers for Solar Cells with Improved Performance”，发表于《Nature Energy》（volume 8, March 2023, 294–303）上。主要作者包括Long Luo、Haipeng Zeng、Zaiwei Wang等，研究单位涵盖了华中科技大学、University of Toronto、武汉理工大学、中科院苏州纳米所、云南大学等多个国际知名机构。

二、研究的学术背景

该研究属于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC，Perovskite Solar Cells）领域。近年来，随着环境能源研究的飞速发展，钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率而备受关注。然而，三维（3D）/二维（2D）钙钛矿异质结构在提升电池性能的同时，仍然面临离子扩散带来的结构退化和长期稳定性问题。特别是在光照、热应力或电偏压等复杂外界条件下，3D和2D钙钛矿之间的阳离子如FA+（Formamidinium）和4F-PEA+（4-Fluorophenylethylammonium）的扩散会导致界面不稳定，影响电池效率及寿命。为了解决上述挑战，本文的研究目标是通过引入一种具备高度交联网络的聚合物（Cross-Linked Polymer，简称CLP），抑制3D和2D钙钛矿结构之间的离子扩散，从而提高电池的效率和长期稳定性。

三、研究的具体工作流程

研究主要分为以下几个步骤：

1. 钙钛矿异质结构的设计与制备
   为建立稳定的3D/2D钙钛矿异质结构，研究人员首先在载玻片上沉积了3D钙钛矿层(fapbi3)0.95(mapbbr3)0.05，并以一种含有4F-PEAI（4-Fluorophenylethylammonium Iodide）的溶液进行表面后处理以形成2D钙钛矿层。然而，传统的3D/2D结构存在离子扩散带来的退化问题。团队引入了一种高度交联的聚合物层（交联聚合物，CLP），通过自聚合方法在3D钙钛矿层上制备。CLP层由乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）和八乙烯基倍半硅氧烷（POSS）组成，该聚合物不仅能够抑制离子迁移，还具有不溶于极性溶剂的独特性能。

2. 高度交联聚合物（CLP）层的制备
   为制作CLP层，研究团队采用乙苯和氯苯的混合溶剂将EDMA和POSS混合后通过旋涂法涂布于3D钙钛矿层表面，随后在100℃下进行退火形成厚度小于3 nm的CLP膜。之后，通过蒸发沉积的方式在CLP膜顶部引入含PbI2的2D钙钛矿层，最终形成3D/CLP/2D异质结构。

3. 离子扩散行为及结构稳定性的表征
   研究团队采用多种实验手段，包括X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）光谱、原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）、时间分辨光致发光光谱（TRPL）等，分析离子扩散及CLP层对异质结构稳定性的影响。例如，通过AFM-IR技术，研究观察到在引入CLP层后，钙钛矿表面显示了显著减少的FA+和4F-PEA+扩散迹象。此外，通过X射线光电子能谱（XPS）深度剖析显示，CLP层有效地阻止了4F-PEA+离子向下扩散，有助于维持3D和2D钙钛矿稳定状态。

4. 器件性能和稳定性测试
   在此基础上，研究团队成功构建了基于碳电极的钙钛矿太阳能电池，并设计了非金属界面以防止金属离子的负面影响。通过屏蔽打印技术制备碳电极并组合到PSC中，最终获得了面积为0.16 cm²的3D/CLP/2D异质结构电池，其效率达到了21.2%。同时，大功率电池模块（PSM）的效率达到了19.6%，并能够在60℃的条件下持续运行4390小时而保持90%的初始效率。

四、研究的主要结果

• 创新的异质结构设计与性能提升
  在3D/CLP/2D异质结构中，由于CLP层的存在，有效减少了阳离子扩散的问题。PL光谱显示3D和2D钙钛矿在热老化条件（120分钟，100℃）后的发射峰位置和强度变化保持较小，展现出结构的优良稳定性。

• 电池效率的提升
  在碳电极支撑下，3D/CLP/2D PSCs显示了21.2%的高效率，与未采用CLP层的结构相比提高了约2%。这得益于CLP和2D钙钛矿协同作用的界面钝化效果，显著减小了器件的开路压降（Voc）和填充因子下降。

• 长期稳定性
  在60℃的条件下，传统的3D/2D结构电池T90寿命约为560小时，而3D/CLP/2D电池在4390小时持续运行后仍能维持90%的初始效率。这表明高度交联聚合物层显著改善了器件的热和光稳定性。

五、研究结论及价值

本文通过创新设计，在3D和2D钙钛矿层之间引入高度交联的CLP层，解决了困扰该领域离子扩散引发退化的问题，不仅构建了高效的钙钛矿太阳能电池，还同时实现了极高的长期运行稳定性。研究成果为解决PSC长期稳定性问题提供了一种通用性强、具有潜在工业价值的技术路线。

此研究的科学价值首先体现于解决了长期存在的异质界面不稳定性难题，其次通过开发合适的界面层，实现了高效率与长期稳定性能兼备的器件。应用性方面，研究为未来开发更高性能、更可靠的太阳能电池提供了新的视角与技术支持。

六、研究亮点

• 离子扩散的有效抑制：提出CLP层在钙钛矿研究中的首次应用。
• 技术创新：开发了一种温和、兼容性强的交联聚合物制备方法。
• 实际器件性能显著提高：实现了高转换效率和超长寿命的良好结合。

七、补充说明

研究还提供了对实验方法详细严格的描述，如关键材料EDMA和POSS的选择、CLP溶液浓度的优化等，同时通过多种表征手段证明了实验结果的可靠性。这些补充性内容彰显了研究的全面性和科学严谨性，为后续研究提供了重要的数据支持和方法参考。