西北工业大学，最新Nature Energy：26.19%！钙钛矿电池再破效率天花板

在过去十年里，钙钛矿太阳能电池以惊人的效率提升速度，成为光 伏领域最受瞩目的新星之一。然而，限制其效率与稳定性继续突破的“顽疾”，始终集中在一个看似不起眼却极其关键的位置——埋底界面。在常规 n–i–p 结构钙钛矿电池中，电子传输层与钙钛矿吸收层之间往往存在高密度缺陷，这些缺陷会导致载流子复合、能量损失，进而限制器件性能与长期稳定性。虽然二维（2D）钙钛矿因其优异的界面钝化能力被广泛用于表面修饰，但如何只在埋底界面精准构筑2D/3D异质结，而不破坏体相结晶，一直是领域内难以攻克的核心挑战。

今日，西北工业大学王凯教授联合阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf教授、中科院青岛能源所逄淑平研究员和青岛科技大学王莉副教授共同提出了一种固态配体交换策略，成功在钙钛矿电池的埋底界面原位构筑2D/3D钙钛矿异质结结构。该策略通过对 SnO₂ 电子传输层进行分子级改性，使二维钙钛矿只在底界面形成，显著降低界面缺陷密度（超过一个数量级），同时诱导高质量三维钙钛矿取向生长。最终，器件效率达到 26.19%（认证26.04%），并在大面积组件中保持出色性能与稳定性，为钙钛矿太阳能电池的规模化应用提供了全新路径。相关成果以“Buried 2D/3D heterojunction in n–i–p perovskite solar cells through solid-state ligand-exchange reaction”为题发表在《Nature Energy》上。Qiangqiang Zhao, Bingqian Zhang和Wei Hui为共同第一作者。

研究的第一步，从电子传输层本身入手。团队并未直接向钙钛矿前驱液中加入二维配体，而是选择对 SnO₂ 纳米颗粒进行分子级“预埋设计”。如图1a所示，研究人员首先利用巯基乙酸（TGA）对 SnO₂ 表面进行修饰，再通过酸碱反应将油胺（OAm）牢固锚定在颗粒表面。这种双功能配体设计，使得 SnO₂ 纳米颗粒在保持优异电子传输性能的同时，具备了“延迟释放”二维配体的能力（图1b、1c）。这种改性后的 SnO₂ 层在光学反射、载流子扩散长度等方面均表现出明显优势（图1d、1e），为后续高质量钙钛矿生长奠定了基础。

图1：SnO₂-TGA-OAm 电子传输层的分子设计思路及其光学、电学特性

真正的关键转折点，发生在钙钛矿成膜过程中。如图2a所示，通过原位时间分辨光致发光测试，研究人员观察到：在改性 SnO₂-TGA-OAm 基底上，钙钛矿黑相生成更快，且成膜过程更加稳定。进一步的 TOF-SIMS 结果表明，OAm 阳离子并未在体相中随机扩散，而是高度富集在埋底界面。GIWAXS 测试给出了更直观的结构证据：二维钙钛矿特征信号只在底界面出现（图2b、2c），同时三维钙钛矿呈现出显著增强的 (100) 面择优取向（图2d）。这种“底部二维、上部三维”的异质结构，成功避免了传统二维修饰导致的体相结晶受阻问题。

图2：埋底界面二维/三维钙钛矿异质结的形成证据与晶体取向分析

为了回答“二维层究竟如何形成”这一核心问题，研究进一步深入到分子反应机制层面。图3展示了固态配体交换过程的完整证据链：在热退火过程中，SnO₂ 表面的 OAm 与钙钛矿前驱体中的 FA⁺ 发生离子交换，OAm 被释放并在界面处与 PbI₂ 反应，原位生成二维钙钛矿层（图3e、3f）。这一过程并非简单物理混合，而是由明确的酸碱反应与离子交换驱动，使二维钙钛矿只在埋底界面精准生成，从根本上解决了二维材料“跑偏”的难题。

图3：固态配体交换与离子交换机制，揭示二维钙钛矿的原位生成过程

埋底界面结构的优化，直接反映在缺陷态与载流子行为上。如图4所示，空间电荷限制电流与热导纳谱结果显示，埋底界面的缺陷密度降低了超过一个数量级。同时，器件中的电荷积累明显减少，界面非辐射复合被有效抑制，载流子寿命和提取效率显著提升。这些变化，为高开路电压与高填充因子的实现提供了物理基础。

图4：界面缺陷密度、载流子复合与电荷传输行为的系统表征

最终，这一系列界面与结构优势，集中体现在器件性能上。图5显示，基于 SnO₂-TGA-OAm 的钙钛矿电池实现了 26.19% 的最高效率，并在连续光照下稳定运行超过3000小时，仍保持初始效率的95%以上。更重要的是，该策略可直接放大到组件层面：21.54 cm² 与 64.80 cm² 组件分别实现了 23.44% 和 22.22% 的优异效率，展现出极强的工艺兼容性与应用潜力。

图5：高效率器件与大面积组件的性能与长期稳定性表现

小结

这项工作通过一种巧妙的固态配体交换界面工程策略，首次实现了二维钙钛矿在埋底界面的“精准就位”。它不仅显著降低了界面缺陷密度，还同步优化了三维钙钛矿的结晶取向与内部应力，从根本上提升了效率与稳定性。更重要的是，这种方法不依赖复杂的工艺步骤，具备良好的可放大性，为钙钛矿太阳能电池从实验室效率竞赛走向产业化落地提供了一条极具现实意义的新路径。