有机-无机杂化钙钛矿材料具备高吸光系数、低激子束缚能及高缺陷容忍度等优异特性，是制备高效低成本光伏器件的理想材料。钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，凭借优异的光电转换效率、低廉的制备成本以及兼容柔性衬底等优势，已成为可再生能源领域的研究热点。然而，钙钛矿光伏器件在进一步提升效率与稳定性时，仍面临诸多挑战，如钙钛矿薄膜结晶质量不均、深能级缺陷密集，以及无机电荷传输层沉积时易对钙钛矿层造成损伤、难以实现全溶液法制备等问题，制约着钙钛矿光伏技术的进一步发展。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所杨松旺研究员团队在钙钛矿薄膜结晶调控、缺陷钝化与能带重构、无机纳米电子传输层制备等方面取得系列新进展。

进展一：2D模板时空演化实现钙钛矿薄膜同步结晶与高效电荷提取

两步法是制备高质量钙钛矿薄膜的重要途径之一，它将碘化铅沉积与后续的相转化反应分步进行，便于过程调控。但碘化铅与阳离子盐的复杂反应过程仍带来挑战，需精细调控成核与生长过程。两步法制备钙钛矿薄膜过程中，存在顶部溶剂挥发与底部热传导引发的不同界面间的结晶速率失配问题，往往导致垂直方向上的形态差异和结构不均；且晶界处的大量缺陷会严重加剧载流子复合，影响器件高效稳定运行。

团队通过准原位变温荧光（TDPL）光谱首次揭示了两步法制备钙钛矿薄膜过程中，薄膜上表面与埋底界面之间存在结晶速率不匹配的问题。针对这一难题，团队提出了一种时空演化的二维（2D）模板辅助结晶策略：将间氟苯乙基碘化铵（m-F-PEAI）引入到碘化铅前驱体溶液中，使其原位形成(m-F-PEA)₂PbI₄二维钙钛矿并作为结晶模板，辅助三维钙钛矿生长。该模板与目标三维α-FAPbI₃钙钛矿共享相似的Pb-I八面体网络，能够引导α-FAPbI₃(100)取向柱状晶粒的生长，进而实现了薄膜在整个厚度方向上结晶速率的同步。

二维钙钛矿模板展现出独特的时空双重作用：在时间维度，它在成核初期引导(100)择优取向的柱状晶粒整体生长，并最终留存在钙钛矿薄膜中。在空间层面，二维钙钛矿伴随薄膜生长过程并最终分布于钙钛矿晶界和薄膜表面，改变了局部表面电势，构建了有利于空穴提取的2D网络结构，从而有效抑制了缺陷辅助的非辐射复合过程。结果表明，2D模板辅助器件的光伏性能得到显著提升，结合减反膜实现了26.03%的光电转换效率。此外，未封装器件的储存稳定性以及MPPT条件下的运行稳定性均得到了明显改善。

相关研究成果以“Spatio-Temporal Evolution of 2D Templates Enables Synchronized Crystallization and Efficient Charge Extraction in Perovskite Solar Cells”为题，发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.78011）。

进展二：LiH₂PO₄添加剂协同缺陷钝化与能带重构实现高效反式钙钛矿太阳能电池

反式钙钛矿太阳能电池因其迟滞小、运行稳定性好、与叠层器件兼容性优异而受到广泛关注，但溶液法制备的多晶钙钛矿薄膜在晶界和表面存在大量缺陷，易作为非辐射复合中心并加速离子迁移，严重限制了开路电压和填充因子的提升。

针对这一问题，团队引入了一种简单、低成本的无机盐——磷酸二氢锂（LiH₂PO₄，LiDP）作为多功能前驱体添加剂。结合X射线光电子能谱和紫外光电子能谱分析，团队揭示了LiDP的双重作用机制：一方面，H₂PO₄^-中高电负性的氧原子与未配位的Pb²⁺缺陷配位，形成Pb-O-P键，实现了深能级缺陷的钝化，并促进晶粒沿(100)取向生长；另一方面，添加剂诱导的表面能带位移（功函数由4.00 eV提升至4.57 eV）和界面偶极层构建显著降低了界面处的电荷提取势垒。该工作不仅显著改善了反式器件的开路电压、填充因子及稳定性，更为深入理解无机多原子盐添加剂诱导的能带重构与双重钝化机制提供了清晰的物理图像。

相关研究成果以“Synergistic Defect Passivation and Energy Band Reconstruction via LiH₂PO₄ Additive for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表在期刊Nanotechnology上（DOI: 10.1088/1361-6528/ae607f）。

进展三：SnO₂纳米晶墨水配体工程实现低成本反式柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池凭借重量轻、可弯曲、可卷对卷加工等优势备受关注，其全溶液法制备要求各功能层均以墨水形式沉积。在反式结构中，电子传输层直接沉积于钙钛矿薄膜之上。虽然传统的SnO₂纳米晶墨水依赖水、醇等极性溶剂，会对下层钙钛矿薄膜造成不可逆的损伤，难以直接应用在反式钙钛矿太阳能电池中。但与此同时，反式钙钛矿太阳能电池常用的富勒烯及其衍生物材料，不但价格高昂，而且所制备电池的长期稳定性也面临挑战，这使得开发可兼容钙钛矿薄膜的SnO₂纳米晶墨水显得尤为迫切。

针对这些问题，团队开发了一种基于油酸配体修饰的非极性SnO₂纳米晶墨水，通过将纳米晶表面的亲水基团替换为长链油酸配体，使SnO₂纳米晶能够稳定分散于正己烷等非极性溶剂中，从而避免了极性溶剂对钙钛矿薄膜的损伤，实现了致密、无针孔的高质量SnO₂薄膜在钙钛矿层上的沉积。油酸配体既保证了溶剂正交性，又通过链间范德华相互作用，实现了更充分的表面羟基置换，同时有效钝化了界面缺陷。

基于该策略制备的反式柔性钙钛矿太阳能电池实现了22.19%的光电转换效率，这是目前采用溶液法SnO₂纳米晶电子传输层的反式柔性钙钛矿太阳能电池中报道的最高效率。同时，器件展现出优异的环境稳定性与弯曲循环稳定性（在 10 mm 弯曲半径下弯曲循环1000 次后仍保持 71.41% 的初始效率）。该工作证明了纳米晶配体工程可在不损伤下层钙钛矿薄膜的前提下实现低成本无机电子传输层的溶液法制备，为基于无机电子传输层的全溶液法反式柔性钙钛矿太阳能电池的发展提供了可行路径。

相关研究成果以“Ligand Engineering of SnO₂ Nanocrystal Ink for Low-Cost Inverted Flexible Perovskite Solar Cells”为题，发表在ACS Applied Nano Materials上（DOI: 10.1021/acsanm.6c01424）。

上述论文第一作者分别为上海硅酸盐所博士研究生李垂羽、硕士研究生洪祥和硕士研究生解鑫倩，论文通讯作者为杨松旺研究员。相关研究工作得到了上海市科委关键技术研发计划“新能源”项目（25DZ3001903）和载人航天工程科学研究与应用系统项目（KJZ-YY-WCL0502）的资助和支持。

文章链接：

进展一：https://doi.org/10.1002/adfm.78011

进展二：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ae607f

进展三：https://doi.org/10.1021/acsanm.6c01424

图 1 （a）对照组器件和（b）2D模板辅助目标组器件的截面SEM图像。（c）形成2D模板的候选添加剂阳离子静电势分布图。不同制备阶段下目标组薄膜与对照组薄膜的XRD图：（d）PbI₂薄膜，（e）钙钛矿湿膜，（f）退火后的钙钛矿薄膜。（g）浅掠射角与深掠射角下GIXRD的测试方法示意图；模板辅助目标钙钛矿薄膜在（h）上表面和（i）埋底界面GIXRD图

图 2 （a）上表面受光的退火过程准原位TDPL测试方法示意图，上表面受光条件下的（b）目标组薄膜和（c）对照组薄膜的准原位TDPL光谱热图。（d）底部受光的退火过程准原位TDPL测试方法示意图，底部受光条件下的（e）目标组薄膜和（f）对照组薄膜的准原位TDPL光谱热图

图 3 （a）目标组器件与对照组器件在反向扫描（实线）和正向扫描（虚线）下的J-V曲线（插图为器件结构示意图），（b）PCE、（c）V_OC、（d) J_SC和（e）FF的统计分布图，（f）IPCE及积分电流密度曲线。未封装目标组器件与对照组器件在（g）N₂和（h）干燥空气（RH < 10%）条件下的储存稳定性，（i）未封装目标器件与对照器件于最大功率点跟踪（MPPT）条件下的长期运行稳定性

图 4 （a）LiDP对钙钛矿薄膜的作用机理示意图，（b）LiDP、对照组钙钛矿薄膜和LiDP修饰钙钛矿薄膜的FTIR光谱，对照组与LiDP修饰薄膜的（c）Pb 4f和（d）I 3d轨道XPS能谱，（e）对照组与LiDP修饰薄膜的UPS能谱（截止区与起始区），（f）对照组与LiDP修饰钙钛矿薄膜的能级图

图 5 （a）SnO₂–Ac配体及后续SnO₂–OA配体交换过程的示意图，（b）SnO₂–OA和（c）SnO₂–Ac纳米晶的高分辨透射电镜（HRTEM）图像，插图为对应的逆傅里叶变换（IFFT）图像，（d）SnO₂、SnO₂–OA和SnO₂–Ac纳米晶的XRD图及（e）FTIR光谱

图 6 （a）SnO₂–OA与SnO₂–Ac薄膜的Sn 3d和（b）O 1s轨道XPS能谱，（c）裸钙钛矿薄膜、（d）钙钛矿/SnO₂–OA薄膜和（e）钙钛矿/SnO₂–Ac薄膜的KPFM图像，（f）钙钛矿、SnO₂–OA和SnO₂–Ac薄膜的能级排列示意图