通过双分子工程在碳基钙钛矿光伏材料中实现对缺陷、载流子和离子的协同调控

《Joule》：Synergistic regulation of defects, charge carriers, and ions via bimolecular engineering in carbon-based perovskite photovoltaics

低温柔性印刷碳基钙钛矿太阳能电池通过二元分子间层（OAI/MeO-2PACz）实现缺陷钝化、载流子优化及离子迁移抑制，将器件效率提升至23.15%（10cm2柔性组件18.77%），并保持95%初始效率超过1000小时。

　　

郑戴|方超|狄天|应晨鹏|姜昊阳|刘海轩|曹子强|尹俊|李静|叶阳|吴炳辉|郑南峰

福建省能源材料科学技术创新实验室（IKKEM），国家固体表面物理化学重点实验室，纳米材料制备技术国家与地方联合工程研究中心，能源材料化学协同创新中心（iChEM），厦门大学化学与化学工程学院，厦门361005，中国

摘要

低温印刷的碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）在商业化方面具有巨大潜力，但其光电转换效率（PCE）仍受到界面非辐射复合的制约。传统的二维（2D）钝化方法可以部分缓解缺陷，但在空间上阻碍了电荷的垂直传输。在这里，我们开发了一种双分子中间层，结合了辛基铵碘化物（OAI）和（2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基）膦酸（MeO-2PACz），以协同管理缺陷、载流子和离子。OAI衍生的2D钙钛矿可以修复A-/X位点的空位，而MeO-2PACz则形成Pb-O-P键来钝化B位点的缺陷，从而增强空穴选择性接触并诱导能带向上弯曲。该结构还将离子扩散势垒提高到了1.12 eV，有效抑制了离子迁移。这种方法使得n-i-p型C-PSCs的光电转换效率达到了23.15%的记录值，对于10平方厘米的半透明（35.8%可见光透射率）碳基钙钛矿太阳能模块（C-PSMs），其光电转换效率为18.77%。值得注意的是，C-PSMs在最大功率点跟踪1000小时后仍保持了95%的初始效率，户外测试证实了其性能可与硅基材料相媲美。

引言

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）通过迭代创新，在金属电极配置中实现了超过27%的光电转换效率（PCE），使其成为硅基材料的强劲竞争者。然而，其商业可行性取决于克服效率、长期稳定性和可扩展制造方面的持续挑战——这些是将其从实验室奇观发展为大规模生产产品的关键因素。

碳基PSCs（C-PSCs）用碳基替代品取代了金属电极，有效缓解了某些障碍。利用碳的天然疏水性，这些设备防止了金属引起的降解，同时实现了低成本、高通量的制造。然而，无论是无HTL（透明电极层）还是集成HTL的C-PSCs都面临着界面电荷提取和传输效率低的问题。特别是在无HTL设计中，能级不匹配显著限制了开路电压（V_OC）和效率。

为了解决这些限制，无掺杂聚合物HTL（如聚（3-己基噻吩）（P3HT）的出现是一个关键进展，它提高了热稳定性并优化了n-i-p型C-PSCs的能级对齐。这些材料有效抑制了电子反向传输，促进了高效的空穴提取，并最小化了碳浆料对底层钙钛矿吸收层的降解。然而，钙钛矿/HTL界面处的残余能级不匹配以及表面陷阱态仍然导致大量的非辐射复合，从而限制了C-PSCs的可实现效率和稳定性。

界面工程已成为实现稳定、高效PSCs的基石。多种钝化剂，包括无机钙钛矿量子点、路易斯碱分子、低维钙钛矿以及复合钝化系统（例如PMAI/OAI或tBBAI/PPAI混合物），都显示出强大的缺陷缓解和界面增强效果。然而，这些策略往往忽略了异质界面能量学、电荷传输动力学和离子迁移之间的相互作用。例如，通过阳离子交换或配体辅助重构形成的溶液处理2D钙钛矿中间层虽然在抑制表面缺陷方面表现出色，但由于有机间隔物的绝缘性质而降低了导电性。此外，某些表面修饰无意中引入了界面偶极子，破坏了能量对齐并阻碍了电荷提取。这些限制导致了载流子积累、离子迁移加速，最终降低了效率和稳定性。未来的界面架构必须采用整体方法，同时解决缺陷钝化、电荷传导和离子抑制问题，以开发出具有韧性和高性能的PSCs。

在这里，我们介绍了一种双分子钝化策略，重新定义了C-PSCs的界面工程。通过结合辛基铵碘化物（OAI）和（2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基）膦酸（MeO-2PACz），我们的方法实现了：

1. (1)
   多位点缺陷钝化：OAI促进2D钙钛矿的形成，以钝化离子空位，而MeO-2PACz则固定未配位的Pb²⁺离子，中和缺陷并稳定钙钛矿晶格。
2. (2)
   增强载流子动力学：自组装的OAI/MeO-2PACz（OMZ）层建立了能量梯度并对齐了费米能级，优化了空穴提取并最小化了电荷复合。
3. (3)
   离子迁移抑制：OMZ结构显著降低了碘离子的扩散，有效抑制了离子迁移，提高了设备的长期耐用性。

该策略在低温处理的C-PSCs中实现了23.15%的记录光电转换效率。当应用于建筑集成光伏（BIPVs）时，它实现了半透明钙钛矿太阳能模块（C-PSMs，10平方厘米），其光电转换效率为18.77%，平均可见光透射率为35.8%。封装的C-PSMs在恶劣工作条件（空气，55°C，约50%相对湿度）下经过1000小时的最大功率点跟踪（MPPT）后仍保持了95%的初始效率。户外现场测试进一步验证了这些设备的实际耐用性，其长期性能和环境适应性可与硅基基准材料相媲美。这项工作为同时实现界面缺陷钝化、载流子管理和离子迁移抑制的材料设计提供了范例，加速了钙钛矿技术的工业化应用。

部分内容

混合中间层中的分子动力学

OA⁺（20.12 Debye）和MeO-2PACz（1.64 Debye）之间的显著极性差异决定了它们在钙钛矿表面的吸附顺序（图1A）。密度泛函理论（DFT）计算显示，OA⁺在（100）和（111）钙钛矿面上的吸附能更强，比MeO-2PACz更负（图1B和S1）。这种极性导向的吸附导致了空间分层的界面结构

讨论

总之，为了克服传统2D钝化策略中异质界面能量学和载流子动力学的限制，我们开发了一种结合OAI和MeO-2PACz的双分子方法。这些分子在钙钛矿表面的不同吸附能量使得界面能够逐步组织，从而精确调节钙钛矿表面缺陷并形成高效的p型空穴选择性接触。这种双功能中间层还引入了

材料

碘化铯（CsI）、氯化甲基铵（MACl）、氯化铅（PbCl₂）、聚（3-己基噻吩-2,5-二基）（P3HT）、4-叔丁基吡啶（tBP）、锂双（三氟甲磺酰）酰亚胺（Li-TFSI）、OAI、PEAI、BAI和spiro-OMeTAD由西安宇瑞太阳能有限公司提供；聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS, Al 4083）由Heraeus Clevios（德国）提供；碘化铅（PbI₂）和（2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基）膦酸（MeO-2PACz）由东京化学提供

联系人

如需更多信息和资源，请联系联系人吴炳辉（[e-mail]）。

材料可用性

本研究没有生成新的独特试剂。

数据和代码的可用性

所有用于研究的数据和分析结果都包含在手稿和补充信息中。如有需要，可向联系人咨询更多信息。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFB4607600和2024YFB3817305）、中国博士后科学基金会（2023M741398）、福建省自然科学基金（2023J06009、2025J011513和2025J011515）、福建省能源材料科学技术创新实验室（IKKEM）的科学技术项目（RD2022040601和RD2020020101）以及New Cornerstone Science Foundation的支持。

作者贡献

Z.D.撰写了初稿并进行了设备制造及后续实验验证。Z.D.和F.C.共同设计了研究并共同修订了最终稿件。D.T.进行了DFT计算，并为实验观察提供了关键的理论解释。H.Y.和H.L.进行了SEM表征。Z.C.进行了XRD表征。Y.P.与Y.Y.合作进行了fs-TR测量

利益声明

作者声明没有竞争利益。