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研究作者与发表信息

该研究由 Nanyang Technological University, Singapore 的 Senyun Ye、Haixia Rao、Minjun Feng 等研究者完成，并由 Tze Chien Sum 和 Yeng Ming Lam 领导。研究成果发表于《Nature Energy》（2023年3月卷，文章页码为284–293），文章链接为：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01204-z。

学术背景

本研究属于新能源技术领域，重点聚焦钙钛矿太阳能电池（PSC, perovskite solar cells）中的低维界面（low-dimensional interfaces）工程。这一领域的研究旨在通过改进界面材料和工艺来提高PSC的效率和稳定性。三维/低维（3D/LD）钙钛矿太阳能电池近年来被认为是解决光伏性能和操作稳定性兼顾问题的有力方法。然而，现有的低维封装（LD capping，指覆盖在太阳能电池材料上的低维材料层）设计通常局限于以 Pb²⁺（铅）和 Sn²⁺（锡）为基础的金属阳离子，这限制了材料设计和优化的空间。为了解决这一问题，本研究旨在开发基于其他金属阳离子的低维封装材料，同时探索新型封装材料对3D/LD钙钛矿太阳能电池性能的提升作用。

研究目标

1. 改进低维封装材料的合成方法，扩大其金属阳离子库至 Pb²⁺ 和 Sn²⁺ 之外。
2. 探索零维锌基卤代金属络合物（PEA₂ZnX₄，x代表Cl或I）作为低维封装材料在钙钛矿太阳电池中的应用。
3. 分析该新型界面材料如何通过表面钝化与异质结构建，显著提升电池性能和稳定性。

研究设计与实验流程

1. 传统方法与创新合成方法的对比

研究对比了传统半前驱体（HP, half precursor）方法与新开发的全前驱体（FP, full precursor）方法。传统方法中，LD层是通过将体型有机胺盐（如PEAI, phenethylammonium iodide）沉积在3D钙钛矿表面并经过阳离子交换反应形成。然而，由于反应主要依赖自底层3D钙钛矿的阳离子上行扩散，金属阳离子的选择受到极大限制。

FP方法引入了一种新的低维材料沉积方式——在FP溶液中同时包含金属卤化物与体型有机胺盐。通过旋涂法，该溶液直接覆盖在3D钙钛矿表面并进行后续退火处理，从而形成LD封装层。这种方法显著拓展了LD材料的金属阳离子选择，同时提供了更高的合成控制精度。

2. LD材料的选择与特性分析

分别选择了二维 PEA₂PbI₄ 和零维 PEA₂ZnX₄（x=Cl/I）作为FP合成的低维封装材料，并以传统方法制备的PEAI进行对照实验。材料的微观晶体结构通过X射线衍射（XRD）、广角/小角X射线散射（GIWAXS/GISAXS）和透射电子显微镜（TEM）等表征方法进行详细分析，验证LD材料的成功层析。

研究发现，PEA₂ZnX₄ 拥有 β-K₂SO₄ 型单晶结构，其分子内的空间松弛性及电子结构有利于增强界面电荷迁移和表面钝化效果。

3. 光伏性能测试

研究制备了P–I–N结构分层的PSC器件（ITO/PTAA/3D钙钛矿/LD/C₆₀/BCP/Ag，ITO：氧化铟锡，PTAA：聚三苯胺），并针对含不同LD材料的器件性能进行统计学对比。使用凯斯利2400电源表对光伏特性进行测试，重点测量： - 开路电压（V_OC） - 短路电流密度（J_SC） - 填充因子（FF, fill factor） - 光电转换效率（PCE, power conversion efficiency）

4. 界面光电特性分析

为探索LD材料对界面能级的调控作用，采用时间分辨光致发光（TRPL）和开尔文探针力显微镜（KPFM）方法对3D/LD界面进行分析。同时，通过紫外光电子能谱（UPS）计算并绘制了能带排列图，揭示LD材料如何构建异质结及增强内建电场（V_bi），进而提升器件性能。

5. 器件稳定性测试

通过最大功率点追踪（MPP tracking）和85°C热稳定性测试，评估不同LD封装材料对PSC长期性能的影响。研究选择N₂保护环境和无封装条件，重点分析LD封装层在防水氧渗透、光老化与热解等场景中的效果。

主要研究结果

1. PEA₂ZnX₄的封装效果 FP方法制备的PEA₂ZnX₄ 在3D/LD堆叠薄膜中主要以零维形式存在，表面钝化效果优于传统铅基材料。通过XRD定量分析，其封装保留比达到~90%。

2. 光伏性能提升

• PEA₂ZnX₄ 封装的PSC实现了平均24.1%的PCE（认证23.25%），远高于未封装对照（19.3%）。
• 器件表现出更高的V_OC 和FF，主要源于更强的内建电场和有效的非辐射复合抑制。

1. 界面钝化与能级调控 通过TRPL分析，PEA₂ZnX₄ 显著降低了界面缺陷密度，而KPFM和UPS测试结果表明其诱导了更优的能级排列，构建了n–n异质结，有效提高了V_bi。

2. 器件稳定性提升 在MPP模式下操作1,009小时后，94.5%的初始PCE得以保持，相较于对照组的退化表现显著改善。85°C热测试表明，该LD材料对防止表面缺陷生成和光热劣化极具优势。

研究结论与意义

本研究通过开发FP方法，成功将锌基PMA-X卤代金属络合物引入低维封装材料库，显著拓展了钙钛矿太阳能电池的界面工程工具箱。与传统铅基封装相比，PEA₂ZnX₄ 在表面钝化及异质结增强方面更具优越性。PSC器件实现了当前最高效的P–I–N结构性能，并表现出优异的操作稳定性。这一研究为开发无铅替代材料及构建高效、稳定的光伏器件开辟了新方向。

研究亮点

1. 开发了一种创新的FP沉积方法，高效合成多元低维界面材料。
2. 首次将零维PEA₂ZnX₄ 用作钙钛矿低维封装材料，展现出卓越性能。
3. 在PSC领域实现了最高可认证效率（23.25%），并突破了性能与稳定性的权衡。

未来展望

本文提出的FP技术具备广泛适用性， 研究团队计划探索更多金属阳离子（如Co²⁺、Mn²⁺、Sb³⁺等）在该方法中的潜力，为高效、稳定光伏器件提供新材料、新工具和新策略。此外，该研究方向有望在其他钙钛矿光电技术（如发光二极管、激光器及光探测器等）中产生深远影响。