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工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

窦乐天,Nature Chemistry!

2026-01-07
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研究背景


二维金属卤化物钙钛矿(MHPs)因其独特的量子阱效应和光电特性,在太阳能电池、发光二极管和探测器等领域具有巨大的应用潜力。目前,二维钙钛矿主要分为 Ruddlesden–Popper (R-P)、Dion–Jacobson (D-J) 和 ACI 相。


关键问题

目前,二维钙钛矿的研究主要存在以下问题:

1、层内双齿配体设计与合成挑战

长期以来,虽然层间双齿配体(D-J相)已被广泛研究,但由于晶格匹配、配体堆积预测困难以及晶体生长易出现无序结构等挑战,层内双齿配位系统一直缺乏明确的晶体结构证明。

2、传统相结构稳定性瓶颈

传统的R-P相和D-J相钙钛矿在面对高温或持续光照时,其结构稳定性仍难以完全满足商业化应用的要求,急需开发具有更高结合能和热阻性的新型二维钙钛矿相。


新思路


有鉴于此,普渡大学窦乐天和圣母大学Brett M. Savoie等人引入了一类包含层内双齿配体的二维钙钛矿,称为B-D相钙钛矿,旨在增强结构多样性和稳定性。作者合成了具有刚性核心单元和两个同侧铵基连接基团的双齿配体,并获得了具有层内双齿配位的单晶。分子动力学模拟表明,与R-P和D-J相对应物相比,B-D 配体对无机层表现出更强的结合能。基于吸收稳定性的评估,B-D相多晶薄膜表现出卓越的耐热性,分别比R-P和D-J相类似物高出1,600%和140%。结合B-D配体的光伏器件表现出更高的功率转换效率和更长的稳定性。这些发现确立了B-D相二维钙钛矿作为下一代光电应用的极具前景的平台,推进了金属卤化物钙钛矿及其他杂化材料的配体工程。


技术方案:

1、提出了层内双齿二维钙钛矿的设计策略

为实现层内耦合,配体需具备刚性核心、匹配间距及弱π–π作用,研究者合成氧杂蒽配体,通过计算模拟验证其稳定性,为实验制备提供理论支持。

2、表征了B-D 相钙钛矿的结构

作者通过缓慢蒸发法生长出(MeX)PbBr4单晶,证明层内双齿配位,XRD显示配体平行排列且无直接接触,薄膜测试表明其垂直取向良好,大配体导致结构无序,八面体畸变程度接近理想框架,保持无机骨架完整性。

3、研究了B-D 相二维钙钛矿的稳定性

B-D相薄膜在85°C老化中稳定性显著高于R-P相和D-J相,分子动力学模拟显示其双齿配位模式赋予高热稳定性,抑制缺陷形成。

4、评价了光伏应用性能

MeX处理的n-i-p结构光伏器件效率达25.32%,稳定性卓越,85°C下1000小时效率保持90%,连续光照3000小时效率维持80%,展现了巨大应用潜力。


技术优势:

1、创新性地提出了B-D相结构

作者通过分子工程设计出具有刚性核心和同侧阳离子基团的配体,首次实现了配体在同一无机层内的双齿配位,并成功解析了其单晶结构。

2、实现了稳定性和效率的双重突破

作者采用B-D配体的薄膜耐热性大幅超越传统相,光伏器件实现了25.32%的高效率,并在85 °C下1,000小时及连续光照3,000小时后仍保持极高的稳定性。


技术细节

层内双齿二维钙钛矿的设计策略

为了实现层内(B-D相)耦合而非层间(D-J 相)耦合,配体设计需遵循三大准则:首先,配体应具备刚性核心且阳离子基团位于同侧;其次,两个铵基间的间距需与无机层的阳离子空位间距(约 6.1 Å)相匹配,为此设计了带有可旋转乙基链的配体以增强柔性;最后,核心需具有弱的 π–π 相互作用以防止聚集。基于此,研究者合成了以氧杂蒽(xanthene)为核心、在 4,5 位带有对苯乙铵臂的配体(如 MeX2+),并通过引入甲基调节溶解度。计算模拟证实,该类配体能形成能量最低的稳定层状结构,为实验制备提供了理论依据。


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图  B-D相配体及其二维钙钛矿晶体结构的图解和设计


B-D 相钙钛矿的结构表征

研究人员通过缓慢蒸发法成功生长出 (MeX)PbBr4 单晶,这是首个证明层内双齿配位的单晶结构。XRD 分析确认配体确实结合在同一无机层的相邻空位上,且呈平行排列,无机层间通过位移堆叠避免了配体间的直接接触。薄膜测试显示 (MeX)PbBr4 和 (HX)PbBr4 具有良好的垂直取向,而体积更大的配体(如 t-BuX2+)则因位阻导致结构无序。定量评估表明,B-D 相的八面体畸变程度与理想框架及传统 R-P 相接近,证明该设计在引入复杂功能配体的同时,能有效保持无机骨架的结构完整性。


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图  B-D相二维钙钛矿的晶体学性质


B-D 相二维钙钛矿的稳定性研究

稳定性测试对比了 B-D 相、R-P 相(2P+)及 D-J 相(4PmDA2+)配体。在 85 °C 老化实验中,(MeX)PbI4 薄膜在 390 小时后仍保持 77% 的初始吸收,而 R-P 相在 142 小时内便彻底降解;B-D 相的 T80 寿命比 R-P 相提升了 1,600%,比 D-J 相提升 140%。转向分子动力学(SMD)模拟揭示了其深层原因:MeX2+ 的解离能比对比配体高出 24.4% 至 30.2%。这种特殊的层内双齿配位模式赋予了晶格极高的热稳定性,且在降解过程中,部分脱附的配体仍能维持一定的结合力,从而抑制了缺陷的形成。


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图  B-D相二维钙钛矿的稳定性研究


光伏应用性能评价

在 n-i-p 结构的光伏器件中,MeX 处理显著增强了空穴提取能力并抑制了非辐射复合。测试显示,基于 MeX 钝化的器件实现了 25.32% 的高效率,Voc 和填充因子均优于传统配体,证明了其优异的缺陷钝化效果。更令人瞩目的是其卓越的稳定性:未封装器件在 85 °C 下 1,000 小时后效率仍保持在 90% 以上;在连续模拟太阳光照下运行 3,000 小时后,效率仍维持在 80% 以上。这一表现是目前同类条件下二维/三维杂化钙钛矿电池的最高水平之一,充分展现了 B-D 相配体在实际应用中的巨大潜力。


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图  钙钛矿太阳能电池的器件结构与性能


展望


本研究通过精准的分子工程和晶体生长控制,成功开发出一种新型的B-D相二维钙钛矿。这种利用层内双齿配体增强无机骨架稳定性的策略,不仅显著提升了材料在极端条件下的耐受力,还大幅优化了光伏器件的电荷传输与效率。这一成果为下一代稳定、高效钙钛矿光电器件的开发提供了全新的思路,并有望扩展到其他杂化材料体系。


参考文献:

Lin, C., Tang, Y., Nian, Z. et al. Intralayer bidentate diammoniums for stable two-dimensional perovskites. Nat. Chem. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41557-025-02038-w


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