【文章信息】
紧凑型多功能阳离子调控1D/3D异质界面用于高效倒置钙钛矿太阳能电池
第一作者：曹绮，韩永磊（共同一作）
通讯作者：赵卓*，王永飞*，林浩然*
单位：深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院；辽宁科技大学材料与冶金学院
文章是否一稿多投：是√ / 否
【研究背景】
金属卤化物钙钛矿凭借优异的光电性能、低成本溶液可加工性，成为下一代光伏技术的研究热点，其单结器件光电转换效率（PCE）已突破27.3%，趋近商业化要求。然而，钙钛矿薄膜内部组分无序、界面缺陷繁多，非辐射复合严重制约了器件效率与长期运行稳定性的同步提升。界面工程被证明是构建高效钙钛矿太阳能电池的有效策略之一：通过引入有机小分子、离子液体或功能添加剂，可在三维（3D）钙钛矿表面原位形成低维（LD）钙钛矿相，构筑1D/3D或2D/3D异质界面，从而抑制非辐射复合、优化能级排列并提升环境稳定性。
然而，传统低维界面修饰分子面临诸多挑战：一方面，由于2D与3D钙钛矿形成能相近，反应过程中容易同时生成竞争性LD相，导致界面结构不均一、难以精确控制；另一方面，常用有机胺盐通常仅具备单一的Lewis酸或Lewis碱功能，难以实现对多种缺陷态的协同钝化。因此，开发结构紧凑、功能多元的新型界面修饰分子，实现对低维相生长、缺陷化学和能级排列的同步调控，是当前倒置钙钛矿太阳能电池领域亟待解决的关键问题。
【文章简介】
近日，辽宁科技大学赵卓副教授、王永飞副教授联合深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院林浩然副教授，在国际能源领域顶级期刊Advanced Energy Materials上发表题为”Compact Multifunctional Cation Regulating 1D/3D Heterointerface for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells”的研究论文。该工作设计开发了一种多功能短链有机盐——4,5-二氢咪唑-2-肼氢溴酸盐（HyImBr），用于在3D钙钛矿表面原位构筑结构致密的一维/三维（1D/3D）异质界面。
HyImBr分子结合了咪唑啉环与肼基团，凭借其紧凑的分子结构，能够同时实现多重界面调控：丰富的氢键供体/受体位点与钙钛矿A位阳离子、未配位Pb²⁺形成多齿相互作用，引导低维相选择性组装为稳定的1D钙钛矿结构；其Lewis碱位点可钝化多种界面缺陷，大幅降低缺陷态密度；肼基团引入的还原性功能可减轻氧化物种积累，抑制氧化诱导降解；同时界面重构有效释放了薄膜局部拉伸应力，并优化了界面能级排布，促进电子高效提取。基于HyImBr界面修饰的倒置钙钛矿太阳能电池，PCE达到26.11%，显著优于对照组的23.51%；在未封装条件下经1100 h存储后仍维持92.16%的初始效率。
图1. HyImBr分子结构及其在钙钛矿表面构筑致密1D/3D异质界面的多重功能示意图
【本文要点】
要点一：致密1D/3D异质界面的原位构筑与结构表征
不同于传统以空间位阻或单一缺陷相互作用为主的LD修饰分子，HyImBr被设计为多功能阳离子：其咪唑啉环与肼基团可同时提供丰富的氢键供体/受体和Lewis酸-碱位点，引导形成互连的氢键网络而非离散的低维相。SEM表征显示，经0.25 mg mL⁻¹ HyImBr修饰后，钙钛矿薄膜表面形成致密、纳米针状晶簇均匀分布的重构层，晶粒尺寸从528 nm增大至约710 nm；AFM测得表面粗糙度（RMS）由22 nm降至20 nm。GIWAXS分析证实，HyImBr处理后PbI₂特征衍射峰显著减弱，并出现新1D相衍射峰；深度剖析表明该1D相主要集中于钙钛矿表面区域，而非仅存在于薄膜表层。
要点二：多尺度缺陷钝化与非辐射复合抑制
XPS结果显示HyImBr修饰后Pb 4f、I 3d和N 1s峰均向高结合能方向移动，表明界面相互作用增强；FTIR证实N–H键和C=N键发生红移与宽化，揭示了HyImBr与FA⁺/MA⁺之间的氢键作用以及与未配位Pb²⁺的配位作用。稳态/时间分辨光致发光（PL/TRPL）表明，HyImBr修饰薄膜的PL强度显著增强，TRPL载流子寿命从127 ns延长至524 ns；在PCBM/C₆₀电子传输层器件中，PLQY从0.35%提升至1.22%，准费米能级分裂（QFLS）从146 meV提升至214 meV。空间电荷限制电流（SCLC）测试计算得陷阱态密度从6.11×10¹⁵ cm⁻³降至5.54×10¹⁵ cm⁻³。DFT计算进一步表明，HyImBr在V_Pb、V_I、I_Pb和Pb_I等典型缺陷表面均表现出较强的吸附能（−1.47 ～ −2.78 eV），可显著降低缺陷态在带隙中的引入，抑制Shockley-Read-Hall非辐射复合。
要点三：能级优化与电荷提取增强
Kelvin探针力显微镜（KPFM）测得对照组与HyImBr修饰组的表面接触电位差分别为453 mV和286 mV，表明修饰后表面电势分布更均匀。紫外光电子能谱（UPS）显示，HyImBr修饰后功函数由4.55 eV降至4.36 eV，导带最小值（CBM）由−3.99 eV降至−4.26 eV，价带最大值（VBM）由−5.55 eV降至−5.82 eV，形成了有利于电子提取、空穴阻挡的能带弯曲。DFT电荷密度差分分析表明，C₆₀在HyImBr修饰表面的电荷转移量从0.084 e显著降至−0.003 e，表明界面电子提取通道更优，电荷复合被有效抑制。电化学阻抗谱（EIS）显示复合电阻从543 Ω大幅提升至3810 Ω；Mott-Schottky分析内建电势从0.91 V提升至1.02 V，与开路电压提升一致。
要点四：器件光伏性能与运行稳定性
基于ITO/PADCB/钙钛矿(HyImBr)/PCBM/C₆₀/bathocuproine(BCP)/Ag结构的器件，对照组PCE为23.51%（Voc=1.11 V，Jsc=25.91 mA cm⁻²，FF=81.0%），而HyImBr修饰的器件PCE达到26.11%（Voc=1.18 V，Jsc=25.91 mA cm⁻²，FF=85.27%），开路电压和填充因子同步提升。EQE积分电流与Jsc一致，50 nm波长处的高响应及600–760 nm范围EQE的增强证实了光捕获和界面电荷提取的协同改善。稳定性方面：未封装器件在25°C、30% RH下存储1100 h后保持92.16%初始效率（对照组仅72%）；ISOS-L-2条件（65°C连续光照，封装）下533 h后保持83.5%（对照组约150 h即衰减至50%以下）；80°C氮气氛围下880 h后保持86%（对照组408 h后降至60%）。水接触角从48°提升至58°，抗氧化测试（O₃暴露10天）表明HyImBr处理薄膜降解显著减缓，1H NMR证实肼基团对I₂氧化物种的还原作用，共同促成了优异的运行稳定性。
【文章链接】
Compact Multifunctional Cation Regulating 1D/3D Heterointerface for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells
