NML全面解读：埋底界面工程的反偏置弹性钙钛矿太阳能电池晶格应变控制

第一作者： Niqian Du, Shanshan Du, Yaru Du（共同第一作者）

通讯作者：刘志勇、Xiaobo Zhang、刘凯凯

通讯单位：河南师范大学、河南科技大学

研究亮点：

1.首次将反偏压应力作为诊断探针，直接解耦了晶格应变弛豫与单纯缺陷钝化对器件稳定性的贡献，证实低应变晶格是抵抗偏压诱导降解的首要防线。

2.识别出埋底空穴传输层/钙钛矿界面是晶格应变累积的主要场所，通过在MeO‑4PACz自组装单层中引入3-氟噻吩-2-羧酸（3F‑2TC）进行埋底界面工程，直接调控初始钙钛矿结晶模板，有效缓解了晶格本征应变。

3.3F‑2TC通过氢键抑制MeO‑4PACz的自聚集，形成致密均匀的空穴传输层；同时其C=O和F基团与钙钛矿中未配位的Pb²⁺及FA⁺相互作用，钝化缺陷、引导低应变结晶。

4.目标器件实现了26.10%的冠军光电转换效率，并在-1.0 V反偏压下200小时后仍保持91.58%初始效率，在85°C热老化500小时后保留80.81%，在连续1个太阳光照1600小时后保留90.43%，展现出卓越的多应力稳定性。

一、本研究针对的问题与挑战
反式结构钙钛矿太阳能电池效率已突破27%，但其运行稳定性，特别是反偏压条件下的耐受性，仍是商业化的关键瓶颈。当光伏组件中部分电池被遮挡时，被遮挡电池会处于反偏状态，引发“热斑效应”，导致局部过热和快速降解。这种降解的根本驱动力并非仅仅是离子迁移或缺陷本身，而是晶格应变——应变同时降低了离子迁移的活化能并创造了缺陷形核的有利位点。然而，以往研究多集中于表面或体相缺陷钝化，这些方法更多是缓解应变带来的症状，而非消除应变的源头。埋底空穴传输层/钙钛矿界面作为钙钛矿结晶的成核模板，是应变累积的最主要场所，但长期被忽视。二、成果简介

本文针对这一核心问题，提出了一种“埋底界面工程”策略：在MeO‑4PACz自组装单层空穴传输层中引入3-氟噻吩-2-羧酸（3F‑2TC）。3F‑2TC一方面通过氢键作用抑制MeO‑4PACz分子的自聚集，形成致密、高覆盖、高导电性的空穴传输层，并优化能级排列；另一方面，其C=O和F基团与钙钛矿中未配位的Pb²⁺及FA⁺发生化学相互作用，钝化埋底界面缺陷，同时作为结晶模板引导钙钛矿以更小的晶格应变生长。通过掠入射X射线衍射直接证实，3F‑2TC使钙钛矿薄膜的残余应变显著降低。更为关键的是，本文创造性地使用反偏压应力作为诊断工具，证明低应变晶格本身就是抑制偏压诱导降解的首要防线，而非仅靠缺陷钝化。最终，优化后的器件实现了26.10%的冠军效率，并在-1.0 V反偏压下200小时后保持91.58%初始效率，同时在高温（85°C）、连续光照等多种应力下均表现出卓越的稳定性。这项工作确立了通过埋底界面工程调控晶格应变作为提升钙钛矿电池效率和耐逆性的一种普适性设计原则。

三、结果与讨论要点 1反偏压稳定性与晶格应变的关联

研究者首先比较了对照（仅MeO‑4PACz）和目标（MeO‑4PACz + 3F‑2TC）器件在-1.0 V反偏压下的稳定性。对照器件效率迅速衰减，而目标器件在200小时后仍保留91.58%初始效率，且经历8小时反偏后效率下降的器件在暗态静置过夜后可几乎完全自恢复，显示出晶格弹性的增强。XRD追踪(100)衍射峰在反偏过程中的展宽：对照样品的半高宽从0.114°增至0.152°，而目标样品仅从0.110°增至0.123°，表明目标样品结晶结构更稳定。进一步通过掠入射X射线衍射测量不同倾斜角ψ下的(210)衍射峰，对照样品2θ随sin²ψ显著变化（斜率为-3.583×10⁻²），而目标样品斜率仅为-1.418×10⁻²，近乎为零，直接证明3F‑2TC修饰大幅降低了钙钛矿薄膜的残余晶格应变。离子迁移活化能测试显示，目标器件的活化能（0.63 eV）显著高于对照（0.47 eV），证实低应变晶格有效抑制了离子迁移。

要点 23F‑2TC对钙钛矿薄膜质量的提升

密度泛函理论计算表明，3F‑2TC的引入使Pb‑I‑Pb键角更接近理想的180°，形成更稳定的晶格。傅里叶变换红外光谱证实：3F‑2TC与PbI₂混合后，C=O伸缩振动发生明显红移（从1649到1658 cm⁻¹），证明C=O与未配位Pb²⁺的相互作用；3F‑2TC与FAI混合后，N‑H伸缩振动蓝移（从3337到3328 cm⁻¹），表明形成了N‑H···F氢键。扫描电镜显示，对照薄膜在埋底界面处存在明显空洞（由溶剂挥发引起），反偏处理后空洞加剧；目标薄膜则呈现致密、无空洞、大晶粒的形貌，且反偏处理后保持良好。X射线光电子能谱中，目标薄膜的Pb 4f峰向低结合能移动，证实了C=O与Pb²⁺的路易斯酸碱配位作用。光致发光面扫描显示目标薄膜发光更均匀、强度更高；时间分辨光致发光测得目标薄膜平均载流子寿命为648.66 ns，远高于对照的466.37 ns。空间电荷限制电流法测得目标器件的陷阱填充极限电压为0.66 V（陷阱密度3.21×10¹⁵ cm⁻³），低于对照的0.83 V（4.04×10¹⁵ cm⁻³）。热导纳谱显示目标器件中深能级陷阱（0.5–0.6 eV，对应未配位Pb²⁺）密度显著降低，且反偏处理后几乎不变，而对照器件深能级陷阱大幅增加。这些结果一致表明，3F‑2TC通过化学相互作用钝化缺陷并引导低应变结晶，显著提升了薄膜质量和抗逆性。

要点 33F‑2TC对空穴传输层的优化

MeO‑4PACz分子本身具有两亲性，易自聚集形成胶束，导致在ITO上覆盖不完整。XPS中In‑O‑P/In‑O‑H面积比在目标样品中为17.35%，高于对照的12.63%，表明目标HTL覆盖度更高。傅里叶变换红外光谱中，目标HTL的PO₃²⁻伸缩振动发生红移，证实3F‑2TC增强了MeO‑4PACz与ITO的锚定。动态光散射显示，加入3F‑2TC后MeO‑4PACz胶束的平均流体动力学直径减小，证明其抑制了胶束形成。密度泛函理论计算表明，MeO‑4PACz二聚体和四聚体的结合能分别为-0.217和-0.379 eV，而MeO‑4PACz/3F‑2TC异二聚体的结合能更高（-0.458 eV），表明二者通过氢键相互作用，从而抑制了MeO‑4PACz的自聚集。原子力显微镜显示，目标HTL表面更平滑（均方根粗糙度2.80 nm vs. 对照3.41 nm）。开尔文探针力显微镜显示目标HTL表面接触电势差更低，表明费米能级下移，配合紫外光电子能谱证实能级排列更优化。电流-电压测试表明目标HTL的电导率更高。电化学阻抗谱显示目标器件的复合电阻（1670.69 Ω）显著高于对照（963.05 Ω）；莫特-肖特基分析给出目标器件内建电势为1.1 V，高于对照的1.0 V。接触角测试表明目标HTL的水接触角（68.28°）和钙钛矿前驱液接触角（23.17°）均大于对照，有助于抑制非均匀成核和提高耐湿性。此外，目标HTL在400–500 nm波段的透光率略有提升，有利于光捕获。

要点 4器件性能与多应力稳定性

器件结构为ITO/HTL/钙钛矿（约1.54 eV）/PCBM/BCP/Ag。冠军目标器件：PCE 26.10%，Voc 1.19 V，Jsc 25.56 mA/cm²，FF 85.80%；对照器件：24.91%（Voc 1.18 V，Jsc 25.23 mA/cm²，FF 83.79%）。EQE积分电流与J-V吻合。迟滞指数从3.7%降至1.9%。20个器件的统计分布显示目标器件在所有参数上均具有更高平均值和更好重复性。瞬态光电压显示目标器件复合寿命（0.21 s）长于对照（0.17 s）；光强依赖的Voc拟合得到理想因子从1.46降至1.13；光强依赖的Jsc显示α值更接近1；瞬态光电流显示目标器件电荷提取更快。稳态功率输出下，目标器件保持25.84%稳定效率。在85°C氮气中热老化500小时后，目标器件保留80.81%初始PCE（对照仅61.60%）。在连续1个太阳LED光照（35%相对湿度）下1600小时后，目标器件保留90.43%初始PCE（对照仅71.69%）。此外，该埋底界面工程策略在不同SAM体系和不同钙钛矿组分中均展现出普适性提升效果。

四、小结

本研究创新性地将反偏压应力作为诊断探针，成功解耦了晶格应变弛豫与单纯缺陷钝化对钙钛矿太阳能电池稳定性的贡献，证明低应变晶格才是抵抗偏压诱导降解的首要防线。通过埋底界面工程，在MeO‑4PACz自组装单层空穴传输层中引入3-氟噻吩-2-羧酸（3F‑2TC），实现了对晶格应变的有效调控。3F‑2TC一方面通过氢键抑制MeO‑4PACz自聚集，形成致密、高覆盖、高导电性且能级匹配的空穴传输层；另一方面，其C=O和F基团与钙钛矿中未配位的Pb²⁺和FA⁺发生强化学相互作用，钝化埋底界面缺陷，并作为结晶模板引导钙钛矿以低应变、高质量生长。最终器件实现了26.10%的冠军效率，并在-1.0 V反偏压下200小时后保持91.58%初始效率，在85°C热老化500小时后保持80.81%，在连续光照1600小时后保持90.43%，展现出卓越的多应力耐受性。该工作提出的“埋底界面应变调控”策略，为设计高效且耐逆性的钙钛矿光伏器件提供了新的普适性设计原则。

五、参考文献

Du, N., Du, S., Du, Y. et al. Taming lattice strain via buried interface engineering for reverse-bias resilient perovskite solar cells. Nano-Micro Lett. 18, 387 (2026).

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02244-2

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