青岛能源所，Nature Energy！

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光伏领域展现出巨大的潜力，但其性能和稳定性主要受限于界面处的大量缺陷。在界面引入二维（2D）钙钛矿相被证明是减轻界面缺陷、抑制非辐射复合、增强疏水性和热稳定性的有效策略。

关键问题

目前，界面钙钛矿相的形成主要存在以下问题：

1、埋底界面缺陷调控困难

尽管在 3D 层表面构建 2D 结构已较成熟，但埋底界面含有高密度的缺陷态，且相关配体在后续加工中极易溶解流失，难以实现精准的界面钝化。

2、大面积器件性能及均匀性挑战

现有通过自组装单分子层（SAM）构建异质结的方法在扩大面积时，常因分子覆盖不均匀或密度不足导致效率显著下降，且在n-i-p结构中应用极少。

新思路

有鉴于此，青岛能源所逄淑平、西北工业大学王凯、阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf、青岛科技大学王莉等人先后将巯基乙酸（TGA）和油胺（OAm）接枝到SnO₂ 纳米颗粒表面。TGA和OAm之间强化学键确保了只有在热退火过程中，才会与钙钛矿前驱体甲脒碘（FAI）发生阳离子交换，从而仅在底部界面产生2D/3D钙钛矿结构。这种局域化的2D层加速了3D相的形成，显著提升了钙钛矿的结晶质量，并将界面缺陷浓度降低了十倍以上。最终的太阳能电池分别实现了26.19%（认证 26.04%，0.09 cm²）、23.44%（孔径面积 21.54 cm²，认证 22.68%）和 22.22%（孔径面积 64.80 cm²）的光电转换效率。

技术方案：

1、研究了电子传输层（ETL）的性质

研究通过巯基乙酸桥接油胺配体制备SnO₂-TGA-OAm纳米颗粒，显著改善FTO基底覆盖度和电子提取能力，激子扩散长度达4.8 μm，为高效电池奠定材料基础。

2、解析了埋底2D/3D异质结的形成机制

原位荧光和GIWAXS揭示OAm⁺在埋底界面诱导形成2D钙钛矿模板，引导3D钙钛矿沿(100)晶面择优取向生长；固态离子交换反应机制将配体"锁定"在基底上，避免溶剂冲刷流失。

3、评估了界面缺陷钝化与光伏性能

2D/3D异质结使界面缺陷浓度降低十倍，内建电场提升至1.19 V，小面积器件效率达26.19%，10×10 cm²模块效率22.22%，光照3000小时保持95%初始效率，证明了埋底界面工程的重要性。

技术优势：

1、提出了原位固态配体交换策略

研究通过 TGA 和 OAm 在 SnO₂ 表面构建强化学键，巧妙利用热退火诱导的离子交换反应，实现了 2D 钙钛矿在埋底界面的原位精准生长，解决了传统方法中配体易溶解的问题。

2、实现了卓越的器件性能与稳定性

本文不仅实现了 26.19% 的高转换效率，还将技术成功扩展至大面积模块（>22%），且器件在连续运行 3,000 小时后仍能保持 95% 的初始性能，展现出极高的商业化潜力。

技术细节

电子传输层（ETL）的性质与表征

研究团队首先通过在 SnO₂ 纳米颗粒合成过程中加入巯基乙酸（TGA），并随后通过酸碱反应锚定油胺（OAm）配体，制备了新型的 SnO₂-TGA-OAm 纳米颗粒。实验结果显示，TGA 充当了连接 SnO₂ 与长链有机胺分子的关键桥梁。拉曼光谱中312 cm⁻¹ 处的 Sn-S 振动峰证实了 TGA 与 SnO₂ 的紧密结合。这种配体修饰显著改善了 SnO₂ 在粗糙 FTO 基底上的覆盖度，通过导电原子显微镜和循环伏安法测试确认，该薄膜具有极佳的成膜性和孔穴阻挡能力。在光物理性质方面，SnO₂-TGA-OAm 表现出卓越的电子提取能力。瞬态吸收光谱（TAS）和时间分辨荧光光谱（TRPL）显示，与该层接触的FAPbI₃薄膜荧光衰减最快，表明界面电荷转移效率显著提高。此外，计算得出的激子扩散长度在 SnO₂-TGA-OAm 基底上达到 4.8 μm，远高于商业 Alfa SnO₂ 的 1.9 μm。这种改进不仅增强了电流收集，还因优化的折射率减少了光学损失，为高效电池的制备奠定了坚实的材料基础。

图  ETLs的表征

埋底2D/3D异质结的形成机制与结构分析

研究通过原位荧光光谱揭示了钙钛矿在 SnO₂-TGA-OAm 上的结晶动力学：相比对照组，目标薄膜在旋涂初期展现出更快的黑相形成速度，且结晶质量更高。关键的结构证据来自GIWAXS和TOF-SIMS测试，确认了OAm⁺ 分子主要积聚在埋底界面并诱导形成了n=1 的 2D 钙钛矿相。这种底部的 2D 层像模板一样，约束了3D钙钛矿的随机成核，引导其沿（100）晶面优先取向生长，从而减少了晶界数量并消除了界面残余应力。化学反应机理研究表明，这种结构的形成源于一种特殊的固态离子交换反应。在热退火过程中，原本通过离子键结合在SnO₂上的OAm⁺与渗入界面的FAI发生交换，释放出的OAmI随后与界面处的 PbI₂反应生成 2D 钙钛矿。¹³C固体核磁共振和 FTIR 模拟实验证实了这一过程：在加入FAI 后，代表OAm的C-H振动峰消失，而出现了FA⁺与 TGA 结合的新信号。这种策略通过将配体“锁定”在基底上，完美避开了溶剂冲刷导致的配体流失问题。

图  埋层界面二维/三维异质结的形成

图  埋藏界面上的离子交换反应

界面缺陷钝化与光伏性能评估

2D/3D 异质结的构建显著降低了埋底界面的陷阱密度。电容-电压测试及热导纳谱分析显示，目标器件的界面缺陷浓度从1.13 × 10¹⁶降至9.06 × 10¹⁴ cm⁻³，降幅达十倍以上。这种深度钝化有效减少了电荷堆积和非辐射复合损失，使得器件的内建电场（V_bi）从 1.10 V 提升至 1.19 V，开路电压（V_OC）和填充因子（FF）得到显著增强。最终，基于该技术的小面积器件实现了26.19%的效率（认证值为 26.04%）。更重要的是，该策略展现了极佳的可扩展性：6x6 cm²模块实现认证效率22.68%，而 10x10 cm² 模块效率仍高达22.22%。在稳定性方面，未封装的器件在连续光照 3,000 小时（ISOS-L-1）后仍能保持 95% 的初始效率，在 85°C 加热 1,000 小时后保持 80% 的效率，远超使用传统 SnO₂ 的对照组。这些结果证明了构建稳定的埋底2D/3D界面对于实现长寿命、高效率钙钛矿组件的至关重要性。

图  减少埋层界面处的载流子复合

图  PSCs的光伏性能和稳定性

展望

本研究开发了一种新型 SnO₂-TGA-OAm 电子传输层，通过原位固态配体交换反应在埋底界面成功构建了稳定的 2D/3D 异质结。该结构不仅显著降低了界面缺陷浓度和残余应力，还诱导了钙钛矿薄膜的择优取向生长，实现了 26.19% 的创纪录效率和卓越的长期运行稳定性（>3000小时）。该策略为解决钙钛矿电池的界面不稳定性提供了新思路，为大面积组件的商业化应用铺平了道路。

参考文献：

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). 

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