钙钛矿太阳能电池（PSCs）在效率与稳定性之间常存在权衡问题。化学惰性低维（CLLD）卤化金属酸盐界面因其结构中引入低反应活性的大体积阳离子，有望同时实现高导电性与高稳定性，但其制备面临两大挑战：一是低反应活性阳离子难以与底层三维（3D）钙钛矿反应形成低维结构；二是其前驱体在正交溶剂（如乙腈）中溶解度低，难以通过传统方法制备。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本文提出一种选择性模板生长（STG） 策略，利用传统亚稳态低维界面作为模板，通过有机阳离子交换过程，驱动更稳定的CLLD界面生长。该方法成功克服了传统半前驱体（HP）和全前驱体（FP）方法的局限性，无需高反应活性阳离子，也不依赖前驱体在乙腈中的高溶解度。

界面工程现状与挑战

界面工程是优化钙钛矿太阳能电池性能的关键技术，目前主流的界面材料由有机大体积阳离子与卤化物阴离子构成。根据与3D钙钛矿的反应性，这些大体积阳离子可分为两类，却各自存在明显缺陷：

高反应性大体积阳离子：如苯乙铵（PEA⁺）、正丁基铵（BA⁺）等，能轻松与3D钙钛矿反应形成“传统低维界面”。这类界面的导电性优于绝缘有机盐，但高反应性会导致电池稳定性大幅下降；

低反应性大体积阳离子：如3-（甲硫基）丙基铵（3MTPA⁺）、联苯-4-基甲基铵（BPMA⁺）等，不易与3D钙钛矿反应，通常只能作为“绝缘有机盐界面”使用。尽管稳定性强，但其极差的导电性严重限制了电池效率。

理想的CILD界面需同时具备低维结构的导电性和低反应性的稳定性，却因制备方法受限难以实现，半前驱体（HP）法因低反应性大体积阳离子与3D钙钛矿反应性极低而失效；全前驱体（FP）法受限于CILD界面材料前驱体在乙腈（ACN）等优选正交溶剂中溶解性差的问题，导致CILD界面的制备面临巨大挑战。

选择性模板生长（STG）策略

在三维钙钛矿上生长化学惰性低维界面的潜在溶液可加工策略

选择性模板生长策略的潜在机理

策略原理与流程

STG策略的核心是利用亚稳态二维钙钛矿层作为模板，通过有机阳离子交换实现CILD界面的可控生长，通过结构演化分析和DFT计算，揭示STG策略的内在机制，主要包括四个阶段：

模板层制备：在3D钙钛矿表面旋涂沉积亚稳态二维（2D）PA₂PbI₄（PA为苯铵离子）作为模板层。

中间相形成：将目标低反应活性阳离子（如PiEA²⁺、BPMA⁺等）溶于醇类溶剂，旋涂于模板层上。醇溶剂诱导PA⁺选择性溶出，同时目标阳离子插入，形成PbI₂–(PiEA)I₂等中间相。

目标界面形成：通过后续退火处理，中间相转化为目标CLLD界面结构，如(PiEA)PbI₄。

纯化处理：使用异丙醇清洗去除残留的PAI和未反应的(PiEA)I₂，获得纯净的3D/CLLD堆叠结构。

研究表明，PA₂PbI₄因其亚稳态特性，易于被醇溶剂蚀刻并发生阳离子交换，是理想的模板材料。相比之下，更稳定的2D钙钛矿（如PEA₂PbI₄、FPEA₂PbI₄）难以实现完全交换。

结构与光电性能表征验证

所研究的3D/2D结构的表征

以典型CILD界面（PiEA）PbI₄为研究对象，通过X射线衍射（XRD）、紫外-可见吸收光谱、掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等手段验证STG策略的有效性：

模板层PA₂PbI₄在6.5°处具有特征衍射峰，吸收峰位于500nm；

经STG处理后，该峰消失，出现目标(PiEA)PbI₄在8.5°处的衍射峰和545nm处的激子吸收峰；

GIWAXS显示目标2D层具有混合取向（面内与面外共存），有利于电荷传输；

电子迁移率达3.8×10⁻³cm²V⁻¹s⁻¹，与常用电子传输材料PCBM相当。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示STG过程对3D钙钛矿晶粒无明显腐蚀，界面层致密且厚度均匀（约40nm）。

原型钙钛矿太阳能电池性能

钙钛矿太阳能电池的光伏性能

电池结构与制备

采用p-i-n结构 制备3D/STG-目标2D钙钛矿太阳能电池，具体结构为：玻璃/ITO或氟掺杂氧化锡（FTO）/[2-（3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基）乙基]膦酸（MeO-2PACZ）/3DCs₀.₁₅FA₀.₈₅PbI₂.₈Cl₀.₂（FA为甲脒鎓）/STG-目标2D/苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM）/C₆₀/浴铜灵（BCP）/银。同时制备无2D界面层的对照电池和3D/模板2D-PA₂PbI₄电池作为对比。

光伏性能测试

基于STG策略制备的p-i-n结构PSCs表现出优异性能：

统计分析显示，3D/模板2D电池的光电转换效率（PCE）从对照电池的19.8%±0.5%提升至20.5%±0.3%，而3D/STG-目标2D电池的PCE显著提升至25.1%±0.2%，主要得益于开路电压（Vₒc）从1.042±0.019V提升至1.204±0.005V；

小面积（0.06cm²）最优电池的PCE达到25.6%，其中Vₒc=1.200V，填充因子（FF）=85.2%，短路电流密度（Jₛc）=25.0mAcm⁻²，经新加坡太阳能研究所独立验证，测试结果与实验数据高度一致，相对偏差小于3%；

大面积（1.235cm²）电池的PCE达到25.1%，Vₒc=1.198V，FF=83.3%，Jₛc=25.2mAcm⁻²，展现出良好的面积扩展性；

低温性能测试显示，在215K时电池PCE达到27.1%，Vₒc=1.261V，FF=82.5%，Jₛc=26.0mAcm⁻²，为近地空间和极地地区应用提供了可能。

稳定性测试

3D/STG-目标2D电池表现出优异的稳定性：

在1个太阳等效白光LED照射下，接近最大功率点（MPP）运行1000小时后，仍保留93%以上的初始效率；

在85℃氮气环境中热老化1100小时后，初始效率保留率超过98%；

与传统2DPEA₂PbI₄界面层相比，STG-目标2D界面层对3D钙钛矿的保护作用更显著，能有效抵御环境空气侵蚀。

本研究提出的选择性模板生长（STG）策略通过“亚稳态模板+阳离子交换”的创新思路，突破了化学惰性低维（CILD）界面的制备瓶颈。基于该策略的钙钛矿太阳能电池，在1.235cm²活性面积上实现25.1%的高效率，同时具备优异的长期运行稳定性和热稳定性。该策略不仅拓展了钙钛矿界面材料的选择范围，还为高效稳定、低成本、规模化的钙钛矿光伏技术发展奠定了基础，有望推动钙钛矿太阳能电池向实际应用迈出关键一步。

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪

联系电话：400 008 6690

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原文参考：Selective templating growth of chemically inert low-dimensional interfaces for perovskite solar cells