西北工業大學，最新Nature Energy：26.19%！鈣鈦礦電池再破效率天花板

在過去十年里，鈣鈦礦太陽能電池以驚人的效率提升速度，成為光 伏領域最受矚目的新星之一。然而，限制其效率與穩定性繼續突破的“頑疾”，始終集中在一個看似不起眼卻極其關鍵的位置——埋底界面。在常規 n–i–p 結構鈣鈦礦電池中，電子傳輸層與鈣鈦礦吸收層之間往往存在高密度缺陷，這些缺陷會導致載流子復合、能量損失，進而限制器件性能與長期穩定性。雖然二維（2D）鈣鈦礦因其優異的界面鈍化能力被廣泛用于表面修飾，但如何只在埋底界面精準構筑2D/3D異質結，而不破壞體相結晶，一直是領域內難以攻克的核心挑戰。

今日，西北工業大學王凱教授聯合阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf教授、中科院青島能源所逄淑平研究員和青島科技大學王莉副教授共同提出了一種固態配體交換策略，成功在鈣鈦礦電池的埋底界面原位構筑2D/3D鈣鈦礦異質結結構。該策略通過對 SnO? 電子傳輸層進行分子級改性，使二維鈣鈦礦只在底界面形成，顯著降低界面缺陷密度（超過一個數量級），同時誘導高質量三維鈣鈦礦取向生長。最終，器件效率達到 26.19%（認證26.04%），并在大面積組件中保持出色性能與穩定性，為鈣鈦礦太陽能電池的規?；瘧锰峁┝巳侣窂?。相關成果以“Buried 2D/3D heterojunction in n–i–p perovskite solar cells through solid-state ligand-exchange reaction”為題發表在《Nature Energy》上。Qiangqiang Zhao, Bingqian Zhang和Wei Hui為共同第一作者。

研究的第一步，從電子傳輸層本身入手。團隊并未直接向鈣鈦礦前驅液中加入二維配體，而是選擇對 SnO? 納米顆粒進行分子級“預埋設計”。如圖1a所示，研究人員首先利用巰基乙酸（TGA）對 SnO? 表面進行修飾，再通過酸堿反應將油胺（OAm）牢固錨定在顆粒表面。這種雙功能配體設計，使得 SnO? 納米顆粒在保持優異電子傳輸性能的同時，具備了“延遲釋放”二維配體的能力（圖1b、1c）。這種改性后的 SnO? 層在光學反射、載流子擴散長度等方面均表現出明顯優勢（圖1d、1e），為后續高質量鈣鈦礦生長奠定了基礎。

圖1：SnO?-TGA-OAm 電子傳輸層的分子設計思路及其光學、電學特性

真正的關鍵轉折點，發生在鈣鈦礦成膜過程中。如圖2a所示，通過原位時間分辨光致發光測試，研究人員觀察到：在改性 SnO?-TGA-OAm 基底上，鈣鈦礦黑相生成更快，且成膜過程更加穩定。進一步的 TOF-SIMS 結果表明，OAm 陽離子并未在體相中隨機擴散，而是高度富集在埋底界面。GIWAXS 測試給出了更直觀的結構證據：二維鈣鈦礦特征信號只在底界面出現（圖2b、2c），同時三維鈣鈦礦呈現出顯著增強的 (100) 面擇優取向（圖2d）。這種“底部二維、上部三維”的異質結構，成功避免了傳統二維修飾導致的體相結晶受阻問題。

圖2：埋底界面二維/三維鈣鈦礦異質結的形成證據與晶體取向分析

為了回答“二維層究竟如何形成”這一核心問題，研究進一步深入到分子反應機制層面。圖3展示了固態配體交換過程的完整證據鏈：在熱退火過程中，SnO? 表面的 OAm 與鈣鈦礦前驅體中的 FA? 發生離子交換，OAm 被釋放并在界面處與 PbI? 反應，原位生成二維鈣鈦礦層（圖3e、3f）。這一過程并非簡單物理混合，而是由明確的酸堿反應與離子交換驅動，使二維鈣鈦礦只在埋底界面精準生成，從根本上解決了二維材料“跑偏”的難題。

圖3：固態配體交換與離子交換機制，揭示二維鈣鈦礦的原位生成過程

埋底界面結構的優化，直接反映在缺陷態與載流子行為上。如圖4所示，空間電荷限制電流與熱導納譜結果顯示，埋底界面的缺陷密度降低了超過一個數量級。同時，器件中的電荷積累明顯減少，界面非輻射復合被有效抑制，載流子壽命和提取效率顯著提升。這些變化，為高開路電壓與高填充因子的實現提供了物理基礎。

圖4：界面缺陷密度、載流子復合與電荷傳輸行為的系統表征

最終，這一系列界面與結構優勢，集中體現在器件性能上。圖5顯示，基于 SnO?-TGA-OAm 的鈣鈦礦電池實現了 26.19% 的最高效率，并在連續光照下穩定運行超過3000小時，仍保持初始效率的95%以上。更重要的是，該策略可直接放大到組件層面：21.54 cm2 與 64.80 cm2 組件分別實現了 23.44% 和 22.22% 的優異效率，展現出極強的工藝兼容性與應用潛力。

圖5：高效率器件與大面積組件的性能與長期穩定性表現

小結

這項工作通過一種巧妙的固態配體交換界面工程策略，首次實現了二維鈣鈦礦在埋底界面的“精準就位”。它不僅顯著降低了界面缺陷密度，還同步優化了三維鈣鈦礦的結晶取向與內部應力，從根本上提升了效率與穩定性。更重要的是，這種方法不依賴復雜的工藝步驟，具備良好的可放大性，為鈣鈦礦太陽能電池從實驗室效率競賽走向產業化落地提供了一條極具現實意義的新路徑。