郑州大学李鹏伟等Advanced Materials!!协同钝化策略实现22.76%效率的准二维钙钛矿太阳能电池

有机-无机金属卤化物钙钛矿因其长载流子扩散长度、高迁移率、强光学吸收及可调带隙等特性，已成为太阳能电池、光电探测器和激光器等领域的重要半导体材料。在光伏应用中，钙钛矿太阳能电池的认证功率转换效率已迅速攀升至27.03%，超越主流硅技术并满足光伏性能"金三角"中高效率与低成本的要求。然而，铅卤化物钙钛矿的软离子晶格使其易受水分和热量侵蚀，发生光诱导分解和离子迁移，这些不稳定性问题严重限制了器件的运行寿命，成为商业化进程中的关键瓶颈。为解决实际工况下的稳定性需求，研究者们在钙钛矿组分、维度工程和界面优化等方面开展了大量工作。其中，准二维钙钛矿通过引入疏水性有机间隔阳离子形成致密有机层，有效阻隔外部水分和氧气并抑制内部离子迁移，显著增强了环境稳定性和运行稳定性。交替阳离子层间相（ACI）作为准二维钙钛矿的重要家族之一，具有低于3 Å的层间距和最低的平面外电荷传输势垒，在 reconciling 准二维钙钛矿的稳定性优势与三维同类器件的高效率方面展现出独特潜力。尽管如此，溶液法制备的准二维ACI钙钛矿薄膜仍存在高密度缺陷，包括未配位金属位点、卤素空位和A位阳离子空位，这些缺陷作为非辐射复合中心加速器件退化，同时其固有的量子阱结构使平面外方向的电荷传输和提取变得复杂。

在这项研究中，研究人员将乙酸酐（Ac2O）作为多功能添加剂引入准二维ACI钙钛矿体系，通过协同钝化策略同时实现结晶调控、多缺陷位点钝化和费米能级工程。光谱分析和密度泛函理论计算表明，Ac2O分子中的羰基可同时与未配位Pb²⁺离子配位并与胍基阳离子（GA⁺）形成氢键，这种双重相互作用延缓了结晶过程，获得了结晶度更高、晶粒更大、缺陷态密度显著降低的高质量薄膜。与此同时，Ac2O诱导的钝化使费米能级上移，增强了内建电场，从而促进了更快的电荷分离和提取。基于优化后的准二维ACI钙钛矿（GAMA₅Pb₅I₁₆）制备的太阳能电池实现了22.76%的认证功率转换效率（经第三方认证为21.69%），这是目前报道的低n值（n≤5）准二维钙钛矿器件中的最高效率。封装器件在连续最大功率点运行2000小时后仍保持96%的初始效率，表现出优异的长期运行稳定性。该研究通过简单的分子添加剂策略，同时解决了准二维钙钛矿光伏器件的效率和稳定性问题，为突破效率-稳定性权衡提供了实用途径。

该研究证实，乙酸酐作为简单的小分子添加剂，可通过多站点配位和氢键作用协同调控准二维ACI钙钛矿的结晶动力学、缺陷化学和电子结构，是实现高效率与高稳定性兼备的准二维钙钛矿太阳能电池的有效策略。Ac2O与Pb²⁺的配位作用及与GA⁺的氢键作用不仅延缓了晶体成核和生长过程，形成大晶粒、高结晶度的致密薄膜，还有效抑制了A位空位和未配位铅缺陷，降低了陷阱态密度并延长了载流子寿命。更为重要的是，Ac2O的引入提高了甲基铵空位的形成能，驱动费米能级上移并降低功函数，增强了内建电场强度，这一电子结构优化通过霍尔效应、开尔文探针力显微镜、紫外光电子能谱和理论计算得到了系统验证。上述结构优化与电子工程相结合，使器件的开路电压、填充因子和扩散长度得到全面提升，同时抑制了非辐射复合。该策略的实用性在于使用商业化易得的简单分子即可实现多重调控，避免了复杂的分子合成和特定的缺陷靶向方法，为准二维钙钛矿光伏技术的商业化进程提供了重要技术支撑。