华中科技大学，Nature Energy！

研究背景

自从2012年首次报道稳定的固态钙钛矿太阳能电池以来，钙钛矿光伏因其低成本制造、长的载流子扩散长度和高的载流子迁移率而受到广泛关注。近年来，反式（p–i–n）PSCs因其在功率转换效率（PCE）、稳定性以及与叠层太阳能电池的兼容性方面的优势，逐渐成为研究热点，并凸显了其巨大的商业化潜力。

关键问题

目前研究主要存在以下问题：

1、效率瓶颈与界面损失

已报道的反式PSCs的认证准稳态效率很少超过26%。主要的瓶颈在于不可避免的非辐射复合损失，尤其是在钙钛矿/电荷传输层（ETL）界面处，这极大地限制了反式PSCs效率的进一步提升。

2、传统钝化策略的局限性

虽然研究人员尝试了多种表面钝化策略来解决界面问题，但传统基于铵配体或二维钙钛矿的钝化策略存在缺陷。铵配体在光热应力下易发生去质子化，导致空位缺陷，而二维钙钛矿则可能阻碍电荷传输。因此，需要探索更先进的钝化路径。

新思路

有鉴于此，华中科技大学陈炜、刘宗豪、成均馆大学Nam-Gyu Park等人报告了一种表面相变策略，即在二碘化哌嗪鎓（PDI）溶解的异丙醇溶液中引入微量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂化中间相向α相钙钛矿的转变，绕过了传统的d中间相→a相路线，这提高了钙钛矿表面的结晶度并减少了接触损失。此外，NMP增强了PDI与钙钛矿的相互作用，进一步优化了界面能带排列。因此，作者展示了单结PSCs、迷你组件和全钙钛矿叠层电池的高认证功率转换效率，分别为 26.87%（稳态效率）、23.00% 和 29.08%。在环境空气中65°C、1个太阳光照下，最大功率点跟踪2,500小时后，仍能保持初始效率的96%。

技术方案：

1、探索了钝化剂与溶剂的相互作用

研究发现，在PDI–IPA溶液中加入微量NMP后，PCE超26.5%，PL增强，因NMP与PDI氢键强，钝化效果佳。

2、探究了IPA-N的特性及相变动力学

IPA-N和IPA-D增强钙钛矿表面结晶度，IPA-N形成独特结晶路径，绕过δ相，减少缺陷，释放应力，提升了效率和稳定性。

3、原位探测了IPA-N钝化动力学

IPA-N处理提升了钙钛矿薄膜PL强度，钝化表面缺陷，延长载流子寿命，增强PLQY和电子提取，促进n型掺杂。

4、证实了光伏特性与稳定性

IPA-N策略制造的反式PSCs效率达27.19%，稳态26.87%，提升源于V_OC、J_SC和FF增强。迷你组件效率为23.00%，全钙钛矿叠层电池认证PCE达29.08%。

技术优势：

1、实现了新型结晶动力学调控

通过在PDI-IPA溶液中引入微量NMP（IPA-N系统），成功诱导了钙钛矿表面的溶剂化中间相。这种中间相随后转化为高结晶质量的相钙钛矿，绕过了传统的中间相路径，显著增强了钙钛矿表面的结晶度和减少了接触损失。

2、实现了创纪录的高效率和高稳定性

作者采用IPA-N策略制备的反式PSCs，单结器件实现了26.87%29.08%，并且器件在苛刻条件下（65°C，1-sun，环境空气）运行2,500小时后仍保持96%的初始效率，展示了卓越的长期运行稳定性。

技术细节

钝化剂与溶剂相互作用的探索

先进的反式PSCs通常使用有机铵盐（如PDI、PEAI、PI等）作为表面钝化剂，以解决表面缺陷和界面载流子复合问题。PDI处理的器件在所有传统钝化剂中表现出最大的PCE提升，这可能归因于PDI对钙钛矿表面的高结合能。然而，PDI在弱极性IPA中的低溶解度限制了其钝化效果。为了克服此限制，研究人员引入了微量极性非质子溶剂（体积比1:200）到PDI–IPA溶液中。实验结果表明，与DMSO（IPA-D）、DESO、DMI和DMPU相比，NMP嵌入的IPA（IPA-N）实现了最高的平均PCE（>26.5%）。此外，IPA-N处理的钙钛矿薄膜显示出最强的光致发光（PL）强度，这与器件效率趋势一致。极性非质子溶剂的使用增强了钙钛矿表面的重构效应，且NMP中的氧原子相比IPA具有更负的局部电荷，使其能够与PDI形成更强的氢键，从而实现更有效的缺陷钝化。

图  IPA-N在钙钛矿表面的作用

IPA-N的特性及相变动力学

GIWAXS测量结果显示，IPA-N和IPA-D处理主要增强了钙钛矿表面的结晶度，而体相结晶度没有显著差异。原位GIWAXS测量提供了对后处理过程中结构演变的深入了解。IPA-N处理在旋涂过程中诱导了溶剂化中间相（如(FA···NMP) PbI结构）的形成。在随后的退火过程中，这些溶剂化中间相逐渐消失，转化为相钙钛矿。这种独特的结晶路径绕过了传统的d中间相→a相转变，有利于减少堆叠缺陷，并增强钙钛矿表面的结晶质量。此外，采用掠入射X射线衍射技术分析残余应力发现，IPA-N系统能够释放残余拉伸应力，并产生有利的压应力，这对PSCs的效率和稳定性至关重要。

图  IPA-N钝化动力学的原位探测

IPA-N钝化动力学的原位探测及界面分析

原位PL测量显示，IPA-N处理的钙钛矿薄膜更快达到更高的最大PL强度，表明IPA-N与钙钛矿表面具有更好的反应性，并且通过溶剂化中间相向相的转变有效地钝化了表面缺陷。DFT计算证实，NMP增强了PDI与钙钛矿表面碘空位的相互作用能。IPA-N处理的器件表现出显著更长的载流子寿命（3.91 ms），表明非辐射复合被显著抑制。在界面损失分析中，IPA-N处理显著增强了PL量子产率（PLQY），并且在沉积PCBM后仍能保留超过70%的初始PLQY。UPS测量显示，IPA-N处理使费米能级靠近导带最小值（CBM），促进了电子提取。同时，它增强了钙钛矿表面的n型掺杂效应，将导带附近的电子密度提高到3.4×10¹¹cm^-3，且飞秒瞬态吸收光谱证实IPA-N系统加速了钙钛矿/ETL界面的电子提取。

图  表面和界面损失分析

光伏特性与稳定性

使用IPA-N策略制造的反式PSCs结构为ITO/NiO/SAMs/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag。冠军单结器件（使用优化基底）实现了27.19%的反向扫描PCE，稳态PCE为26.87%。效率的显著提升得益于开路电压、短路电流密度和填充因子（FF）的协同增强。填充因子的改善主要归因于非辐射复合损失的减少和缺陷辅助陷阱态的抑制。该方法具有良好的可扩展性，所制造的迷你组件（11.09 cm²）获得了23.00%的PCE。此外，该策略成功应用于全钙钛矿叠层太阳能电池，获得了29.08%的认证PCE，证明了其对各种器件架构的适用性。

图  器件性能和稳定性

展望

总之，本文成功利用溶剂化中间体驱动的表面相变策略，通过微量NMP的引入，解决了反式钙钛矿太阳能电池在界面非辐射复合和效率方面的关键挑战。该方法通过独特的结晶路径形成了高质量的α相钙钛矿表面，显著提升了器件的结晶度、界面能级排列并抑制了缺陷。最终实现的单结PSC 26.87% 和全钙钛矿叠层电池29.08%的认证效率，以及在65°C下2,500小时后仍保持96%的优异稳定性，为开发高性能、高稳定性的钙钛矿光伏技术提供了普适且有效的途径。

参考文献：

Liu, S., Miao, T., Wang, J. et al. Solvated-intermediate-driven surface transformation of lead halide perovskites. Nat Energy (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01912-8

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