青岛能源所领衔Nature Energy:新型氧化锡纳米材料原位构建2D/3D钙钛矿异质结用于高效光伏器件

一, [科学背景]  有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池是光伏领域极具发展潜力的新一代技术, 其光电转换效率已逐步逼近传统晶硅太阳能电池, 成为学术界与工业界共同关注的研究热点. 而界面处存在的大量缺陷, 是制约钙钛矿太阳能电池光伏性能提升与长期工作稳定性的核心因素. 尽管在器件界面引入二维(2D)钙钛矿相, 能够有效钝化界面缺陷, 抑制非辐射复合, 同时提升器件的疏水性与热稳定性, 但这一策略的应用存在明显的技术壁垒:在三维(3D)钙钛矿层的上表面构建2D/3D复合结构已相对容易实现, 而在器件底部的掩埋界面制备该结构却难度极大, 究其原因, 是用于形成2D钙钛矿的有机配体, 在后续的上层薄膜沉积过程中, 极易溶解于N, N-二甲基甲酰胺(DMF), 二甲基亚砜(DMSO)等常用极性成膜溶剂中, 难以在掩埋界面稳定留存. 二, [创新成果] 近日, 青岛能源所逄淑平研究员, 西北工业大学王凯教授, 阿卜杜拉国王科技大学KAUST Stefaan De Wolf教授以及青岛科技大学王莉副教授等人合作, 开发了固态配体交换介导的掩埋界面2D/3D异质结构建策略, 通过将巯基乙酸(TGA)与油胺(OAm)依次接枝到SnO2纳米颗粒表面形成SnO2-TGA-OAm电子传输层, 利用配体间强化学键约束实现钙钛矿热退火阶段与甲脒碘(FAI)的定向阳离子交换, 仅在掩埋界面原位生成2D/3D异质结, 使界面缺陷浓度降低超十倍, 显著提升钙钛矿结晶质量与电荷传输效率;基于该策略, 0. 09 cm2小面积器件光电转换效率达26. 19%(认证26. 04%), 21. 54 cm2, 64. 80 cm2大尺寸模组效率分别为23. 44%(认证22. 68%), 22. 22%, 且无封装器件在连续运行3000 h后仍保留95%以上初始效率, 成功解决n-i-p型钙钛矿电池掩埋界面2D相精准调控难题, 为其商业化奠定关键技术基础. 图1电子传输层(ETL)的表征. (a)展示酸碱反应辅助合成SnO2-TGA和SnO2-TGA-OAm的示意图(R-NH2含正丁胺, β–苯乙胺等);(b)为SnO2-TGA-OAm纳米颗粒的TEM图像;(c)TGA, SnO2-TGA及SnO2-TGA-OAm的拉曼光谱;(d)不同ETL在FTO基底上的反射率;(e)激子扩散长度与光致发光寿命关系图. © 2026 Springer Nature 图2掩埋界面处2D/3D异质结的形成. (a)为时间分辨光致发光光谱分析(EA为乙酸乙酯);(b)(c)分别是Alfa SnO2(对照组)和SnO2-TGA-OAm(目标组)上掩埋钙钛矿的GIWAXS图谱;(d)两组钙钛矿薄膜的方位角图谱, 证实目标组(100)晶面择优取向;(e)不同入射角下的GIXRD衍射角趋势;(f)背入射PL光谱, 插图显示n=1的2D钙钛矿发射峰;(g)器件截面SEM图像, 钙钛矿层呈单晶粒结构;(h)(i)为对照组与目标组钙钛矿薄膜的C 1s XPS光谱, 证实OAm配体存在. © 2026 Springer Nature 作者对SnO2-TGA-OAm电子传输层(ETL)的系统表征, 证实了巯基乙酸(TGA)与油胺(OAm)通过强化学键稳定接枝于SnO2表面, 形成的纳米颗粒尺寸均一且在基底覆盖完整, 不仅具备优异的抗反射特性与电子提取能力, 更使钙钛矿激子扩散长度提升至4. 8 μm, 为电荷高效传输筑牢基础;作者通过多维度表征验证了掩埋界面2D/3D异质结的精准形成, 该异质结可诱导3D钙钛矿沿(100)晶面择优取向生长, 有效消除界面残余应力, 减少孔洞与杂质缺陷, 促成高结晶质量的单晶粒钙钛矿薄膜. 上述结果共同印证了“改性ETL-定向异质结”策略的科学性, 从电荷传输与结晶质量两大核心维度解决了传统器件的界面瓶颈, 为后续器件效率与稳定性的双重突破提供了关键结构支撑. 图3掩埋界面处的离子交换反应. (a)OAm, TGA及其混合物的FTIR光谱, OAm的N–H峰向低波数位移, 表明-NH2质子化;(b)(c)分别为SnO2-TGA, SnO2-TGA-OAm及SnO2-TGA-FA的FTIR粉末光谱与13C固体NMR光谱;(d)添加FAI后, OAm的C–H峰消失, 出现FA的N–H峰, 证实离子交换;(e)(f)为2D/3D异质结形成机理示意图及FAI与RA-TGA的离子交换反应方程式. © 2026 Springer Nature 图4掩埋界面处载流子复合的抑制. (a)对照组与目标组纯电子器件的空间电荷限制电流(SCLC)图谱;(b)热导纳谱测得的陷阱态密度, 目标组浅/深陷阱密度均降低;(c)钙钛矿/SnO界面陷阱密度从1. 13×1016 cm-3降至9. 06×101 cm-3;(d)(e)不同光照强度下的C-V图谱;(f)莫特–肖特基图谱显示目标组内建电势更高(1. 19 V);(g)Voc与光照强度关系证实电荷转移改善;(h)微分载流子寿命表明目标组载流子转移更快. © 2026 Springer Nature 图5钙钛矿太阳能电池的光伏性能与稳定性. (a)两组器件PCE的统计分布;(b)正向/反向扫描J-V曲线;(c)目标组稳态功率输出测试;(d)未封装器件MPP跟踪结果, 目标组3000 h后保留95%初始效率;(e)6×6 cm2钙钛矿模组照片;(f)(g)6×6 cm2模组J-V曲线, 孔径面积21. 54 cm2时PCE=23. 44%(认证22. 68%);(h)10×10 cm2大模组J-V曲线, 孔径面积64. 80 cm2时PCE=22. 22%;(i)已报道2D/3D钙钛矿器件PCE随面积变化的统计对比. © 2026 Springer Nature 作者通过FTIR, 固态核磁共振等表征证实了巯基乙酸(TGA)与油胺(OAm)的酸碱反应及后续与甲脒碘(FAI)的离子交换机制, 明确OAm通过离子键稳定接枝于SnO2表面, 热退火时定向释放并与界面PbI2反应形成2D钙钛矿, 为掩埋界面2D/3D异质结的精准构建提供了化学基础;同时, 借助空间电荷限制电流, 热导纳谱, 电容-电压等电学测试, 验证了该异质结使钙钛矿/SnO2界面缺陷浓度降低超十倍, 有效抑制载流子复合与电荷积累, 提升内建电势和电荷传输效率;最后, 文章呈现了该策略在不同尺寸器件上的光伏性能与稳定性优势, 小面积器件光电转换效率达26. 19%(认证26. 04%), 21. 54 cm2和64. 80 cm2大尺寸模组效率分别达23. 44%(认证22. 68%)和22. 22%, 且未封装器件在连续运行3000 h后仍保留95%以上初始效率, 充分证明了该界面工程策略的实用性与规模化应用潜力. 该研究实现了一种高性能n–i–p型钙钛矿太阳能电池, 以“Buried 2D/3D heterojunction in n–i–p perovskite solar cells through solid-state ligand-exchange reaction”为题发表在国际顶级期刊Nature Energy上, 引起了相关领域研究人员热议. 三, [科学启迪] 综上所述, 该研究通过固态配体交换策略, 成功在n–i–p型钙钛矿太阳能电池的掩埋界面精准构建2D/3D异质结, 解决了传统配体易溶解, 2D相难以定位形成的关键难题. 改性后的SnO-TGA-OAm电子传输层显著提升了钙钛矿薄膜的结晶质量, 使界面缺陷浓度降低超十倍, 器件效率与稳定性实现协同突破, 小面积器件效率达26. 19%, 大尺寸模组效率保持在22%以上, 为钙钛矿电池的界面工程提供了全新思路. 未来可进一步优化配体结构与组分, 拓展该策略在不同体系钙钛矿电池中的适用性;同时推动工艺与产业化成膜技术的深度适配, 减少大面积制备中的效率衰减. 此外, 结合全界面钝化与叠层电池设计, 有望突破单结器件效率极限, 加速钙钛矿光伏技术的商业化落地. 原文详情:Zhao, Q. , Zhang, B. , Hui, W. et al. Buried 2D/3D heterojunction in n–i–p perovskite solar cells through solid-state ligand-exchange reaction. Nat Energy (2026). https://doi. org/10. 1038/s41560-026-01980-4