【儀表網 研發快訊】鈣鈦礦太陽能電池是目前最具前景的第三代光伏技術，其效率已經超過26.7%，逐漸逼近理論極限，而效率快速發展離不開表界面的缺陷鈍化，特別是低維(LD)鈣鈦礦鈍化。然而，在2D 鈣鈦礦鈍化過程中，由于陽離子在熱的作用下易遷移滲透到3D鈣鈦礦內部甚至轉化為1D相，導致器件不穩定，且使用大體積陽離子形成LD鈣鈦礦鈍化層的背后機制以及不同維度鈣鈦礦之間的轉化過程仍不明確。
中國科學院福建物構所高鵬課題組曾使用同一手性陽離子，在不同的條件下在3D鈣鈦礦表面上形成2D或者1D的鈍化層(Appl. Mater. Today 2022,28,101550)。近日，該團隊在前期研究的基礎上(Adv. Energy Mater.2020,10,2000197)，進一步對N-甲基-1-萘甲銨(M-NMA+)陽離子進行了系統的研究，通過研究M-NMA+ 的LD 鈣鈦礦的形成動力學，發現M-NMA+ 的分子間π–π 堆疊及其與產物結構內無機PbI6八面體的氫鍵連接(N-H···I)控制LD 鈣鈦礦的形成。在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)前驅體溶液中，可以同時獲得1D和2D兩種產物。尤其是M-NMA+和DMF溶劑之間的強相互作用，與1D 相相比，2D鈣鈦礦的形成高度依賴異質成核，這是在Ruddlesden–Popper 2D 鈣鈦礦中首次報道。該工作對由同一陽離子形成的不同維度結構進行全面比較，深入研究低維鈣鈦礦相的形成、結晶和轉變，能夠更直接地加深對低維鈣鈦礦及其與三維鈣鈦礦構成的異質結構的理解。
圖1：a)1D M-NMAPbI3、b)2D (M-NMA)2PbI4和c)M-NMA(DMF)PbI3的單晶側面圖。插圖：氫鍵的距離值。d)不同基底上使用2:1(M-NMAI:PbI2)DMF溶液形成的薄膜照片。e)結晶途徑示意圖。
然而，使用M-NMAI的異丙醇溶液對3D鈣鈦礦薄膜進行后處理，僅在表面形成熱穩定的1D相。1D具有比2D更穩定的結構，M-NMA+分子間具有更有利的π–π相互作用以及與無機PbI6八面體更強的氫鍵連接，同時具有更加牢固的鏈狀PbI6八面體無機骨架。由此產生的1D/3D異質結構，不但使得鈣鈦礦太陽能電池(PSC)獲得創紀錄的25.51% 的效率(1D鈣鈦礦鈍化)，而且還顯提高了未封裝器件在85 °C 下的熱穩定性。
圖2：M-NMA+ 在DMF的前驅體溶液(與PbI2)以及在3D鈣鈦礦薄膜上的低維產物
此研究加深了對低維鈣鈦礦形成動力學的理解，揭示了有機-無機雜化鈣鈦礦的非典型結晶動力學，并為制備穩定、高效的PSC 提供了一種有效的策略。相關研究結果以“Formation Dynamics of Thermally Stable 1D/3D Perovskite Interfaces for High-Performance Photovoltaics”為題發表于《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2025,2413841)。中國科學院福建物構所梁祿生工程師為本文第一作者，中國科學院福建物構所高鵬研究員為本文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、福建省自然科學基金等項目支持。
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