北京大学陈志坚/曲波/肖立新团队: 有机双胺盐化学及场效应钝化提升钙钛矿光伏器件性能

Diamine-Mediated Synergistic Engineering of Orientation and Interfacial Field of 3D/1D Heterojunctions for Efficient Perovskite Photovoltaics

Yaobin Li, Yunxuan Cao, Yu Zou*, Wenjin Yu, Zhenhuang Su, Zhuoer Cai, Yueli Liu, Qinyun Liu, Hantao Wang, Lefan Gong, Yucheng Ye, Rong Tang, Yunan Gao, Felix Thomas Eickemeyer, Bo Qu*, Lixin Xiao*, Zhijian Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 330

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02190-z

本文亮点

1. 通过1,3-二氨基丙烷二氢碘酸盐(PDAI₂)和4-脒基吡啶盐酸盐(4APyCl)的顺序沉积构建了3D/PDAI₂/1D异质结。

2. 预键合的PDAI₂不仅提供了场效应钝化，而且还模板化了具有连续面外电荷传输通道的1D钙钛矿Pb-I八面体链的后续垂直排列。

3. 具有3D/PDAI₂(场效应钝化)/1D(化学钝化)结构的倒置结构太阳能电池实现了25.8%的冠军PCE，使其成为性能最好的3D/1D结构钙钛矿太阳能电池之一。未封装的器件在根据ISOS-L-1协议连续1个太阳光照射1000小时后保持初始PCE的85%。

研究背景

低维界面层被广泛用于钝化钙钛矿太阳能电池光活性层表面和晶界缺陷，抑制非辐射复合，促进能带匹配，提高器件的效率和稳定性。通常，在溶液处理步骤中，通过在三维钙钛矿表面旋涂二维有机配体并退火形成二维(2D)钙钛矿层。实际制造中的一个关键挑战是混合二维钙钛矿相的普遍形成，其表现出离散的n值和取向，严重限制了电荷输运。相比之下，具有线状Pb-I八面体框架的一维(1D)钙钛矿具有更大的结构灵活性，并且在晶界等缺陷位置具有优越的钝化能力。空间上更灵活的一维钙钛矿能够构建连续的电荷提取通道，特别是当Pb-I八面体链面外取向时，从而优化了传输效率。因此，开发在一维钙钛矿中实现均匀的面外取向的策略对于利用其固有优势至关重要，然而这一关键瓶颈经常被忽视，阻碍了3D/1D结构钙钛矿太阳能电池的进一步开发。

内容简介

三维(3D)钙钛矿太阳能电池(PSCs)的性能主要受到界面非辐射复合和不稳定性的限制。尽管低维(LD)界面修饰层，尤其是二维(2D)钙钛矿，被广泛用于表面钝化，但它们的不均匀n值和量子阱约束往往阻碍了电荷传输。一维(1D)钙钛矿由于其结构的灵活性和出色的钝化能力，提供了一种有前景的替代方案，然而其在可控结晶和有序取向上存在挑战，潜力尚未得到充分开发。因此，北京大学陈志坚，曲波，邹瑜及肖立新团队通过依次沉积1,3-二氨基丙烷二氢碘酸盐(PDAI₂)和4-脒基吡啶盐酸盐(4APyCl)构建了3D/PDAI₂/1D异质结。预先锚定的PDAI₂不仅提供了场效应钝化，还为随后PbI₂与4APyCl结合组装的1D钙钛矿的Pb-I八面体链的垂直排列提供了模板，建立了连续的面外电荷传输通道，实现了有效的表面缺陷钝化、有利的能级对齐和增强的界面载流子提取。含此结构的倒置结构钙钛矿太阳能电池实现了25.8%的冠军PCE，并且在1个太阳光照下进行最大功率点跟踪1000小时后仍能保持初始PCE的85%。

图文导读

I 顺序沉积构建3D/PDAI₂/1D异质结

为了构建3D/PDAI₂/1D异质结，先采用一步反溶剂法在ITO/SAM 基底制备 3D 钙钛矿，再沉积PDAI₂构筑场效应钝化层，该分子一端的胺基可填补钙钛矿表面阳离子空位，另一端的胺基参与形成偶极场排斥界面少子空穴；随后旋涂4APyCl并退火制备低维封盖层。通过基于同步辐射的掠入射广角 X 射线散射(GIWAXS)测试薄膜表面，可以发现未经处理3D钙钛矿表面存在有害的过量PbI₂杂质，经PDAI₂或4APyCl处理后均可有效去除。单独PDAI₂处理不会生成低维结构，而4APyCl可与碘化铅反应生成象征着低维钙钛矿的双环，结合后文的单晶结构解析确认其为一维钙钛矿。取向分析显示，顺序沉积PDAI₂与4APyCl可制备出有序取向的1D钙钛矿，其Pb-I八面体链垂直于3D薄膜表面生长。

图1. 3D/PDAI₂/1D 异质结的构建。

II 1D钙钛矿(4APy)₂PbI₄的晶体结构分析

为验证一维钙钛矿晶体结构，采用饱和溶液冷却法制备了单晶，并通过单晶X射线衍射(SCXRD)进行结构分析。解析得到其结构为一维钙钛矿(4APy)₂PbI₄，边共享的Pb-I八面体链沿a轴延伸，有机阳离子配体在b、c方向分隔Pb-I八面体链，晶体呈一维棒状形貌。SCXRD证实低维的特征衍射峰对应(002)和(011)晶面。将3D/PDAI₂/1D样品GIWAXS数据，与一维钙钛矿(4APy)₂PbI₄的SCXRD谱比较，证明了使用4APyCl对3D钙钛矿表面进行后处理可原位生成一维钙钛矿(4APy)₂PbI₄。PDAI₂可引导一维钙钛矿的Pb-I八面体链垂直有序排布，形成连续面外载流子传输通道，避免导电性较差的有机分子阻碍电荷输运。

图2. 1D钙钛矿(4APy)₂PbI₄的晶体结构分析。

III 不同后处理条件下钙钛矿表面的能级结构

通过开尔文探针力显微镜(KPFM)表征不同后处理钙钛矿薄膜的表面电学性能，获取了各样品表面电势即功函数的分布，得到平均值及均方根粗糙度参数。未经修饰的3D钙钛矿薄膜表面平均功函数为4.70 eV；仅PDAI₂修饰后功函数降至4.61 eV，源于其场效应钝化效应；仅一维钙钛矿修饰后功函数为4.64 eV，源于吡啶基团提升了表面电子浓度。PDAI₂ 与一维钙钛矿协同改性后，薄膜功函数降至4.53 eV，均方根粗糙度仅21.62 meV，表面电势均匀性最优，有助于提升器件填充因子。通过紫外光电子能谱(UPS)测试，可以发现PDAI₂产生的偶极场与3D钙钛矿/电子传输层的内建电场方向一致，可强化电场并促进电子输运；同时4APyCl的后处理使得多余PbI₂杂质转化为一维钙钛矿封盖层，实现形貌与表面电势均质化。二者形成协同n型掺杂效应，优化了钙钛矿与电子传输层的能级匹配，有效助力电子提取并阻挡了空穴。

图3. 不同后处理条件下钙钛矿表面的能级结构。

IV 不同后处理条件下钙钛矿的光电性能比较

通过X射线光电子能谱(XPS)分析钝化分子与3D钙钛矿的相互作用。仅沉积 PDAI₂时，Pb 4f和I 3d峰无明显偏移；引入一维钝化层后，Pb 4f和I 3d峰向低结合能偏移。4APyCl 的吡啶环提升Pb、I原子附近电子密度，有效钝化未配位Pb²⁺缺陷。光致发光(PL)测试表明，3D/1D薄膜稳态荧光强度与载流子寿命优于未经修饰的3D薄膜；经PDAI₂调控形成1D取向有序的3D/PDAI₂/1D结构，具有最高的稳态荧光强度和最长的载流子寿命，能更好抑制非辐射复合。通过制备单电子载流子器件，根据空间电荷限制电流法(SCLC)计算缺陷态密度，3D/PDAI₂/1D 薄膜缺陷密度最低；拟合得其电子迁移率也明显高于其他两组样品。荧光量子产率(PLQY)与准费米能级分裂(QFLS)测试分析显示，3D/PDAI₂/1D拥有最高PLQY与QFLS；引入电子传输层后，其QFLS衰减幅度最小。PDAI₂场效应钝化与有序一维钙钛矿钝化协同作用，有效抑制界面非辐射复合。Mott-Schottky测试证实，3D/PDAI₂/1D 器件内建电场强度最高，有利于提升器件开路电压。

图4. 不同后处理条件下钙钛矿的光电性能。

V 不同结构钙钛矿光伏器件的性能和稳定性

基于3D/PDAI₂/1D 结构钙钛矿太阳能电池器件，其开路电压、短路电流密度与填充因子均同步提升。开路电压的提升源于PDAI₂与4APyCl的协同n掺杂效应，提升准费米能级分裂与内建电场，精准调控表面能级、抑制界面复合；一维钝化层提升了薄膜形貌与电势均匀性，改善填充因子。冠军器件PCE高达25.8%，跻身3D/1D结构钙钛矿太阳能电池顶尖水平。依据ISOS-L-1标准开展无封装器件最大功率点稳定性追踪测试，得益于表面杂质减少及一维致密界面封盖层的保护，3D/PDAI₂/1D 器件经1000小时持续光照仍保有85%的初始效率，优于3D/1D器件和未经修饰的3D器件。

图5. 不同结构钙钛矿光伏器件的性能和稳定性。

VI 总结

本研究通过顺序沉积，在3D/PDAI₂上成功制备了高度取向有序的一维钙钛矿封盖层。PDAI₂不仅提供了场效应钝化，还为后续垂直排列的一维Pb–I八面体链提供了模板，从而形成了连续的面外电荷传输通道。通过将过量的PbI₂杂质转化为低维封盖层，实现了均匀的形貌和表面电势。PDAI₂和4APyCl的协同n 型掺杂促进了3D钙钛矿与ETL之间的能级对齐，从而共同促进了电子提取并阻挡空穴。因此，相应的倒置PSCs实现了25.8%的冠军PCE，并在按照ISOS-L-1协议进行1000小时最大功率点跟踪后仍保持了初始效率的85%。这项工作通过一维钙钛矿的取向工程，在保留一维封盖层的杂质修复优势的同时避免了不利的电荷传输损失，从而推进了 3D/1D 异质结构潜力的释放。

作者简介

邹瑜

本文通讯作者

上海交通大学博士后

▍主要研究领域

钙钛矿太阳能电池。

▍主要研究成果

本科和博士毕业于北京大学物理学院，后加入上海交通大学从事博士后研究。研究方向聚焦于钙钛矿材料的结晶动力学与物性，相关成果发表于Science、Nature等高水平期刊。

▍Email：yu.zou@sjtu.edu.cn

曲波

本文通讯作者

北京大学副教授

▍主要研究领域

(1)钙钛矿太阳能电池；(2) AI for Science；(3)有机电致发光。

▍主要研究成果

长期致力于先进光电功能材料与器件物理研究，迄今在国际学术期刊发表SCI论文120余篇，论文他引总计4400余次，荣获2015年度教育部自然科学一等奖；近5年发表Science, Nat. Rev. Mater., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater.等SCI论文39篇(通讯作者论文22篇)，科研成果被权威期刊Nat. Photon., Nat. Nanotech., Nat.Energy, Nat. Rev. Mater., Nat. Rev. Methods Primers, Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Joule等正面评价与引用；合作出版了国内首部钙钛矿光伏学术专著——《钙钛矿太阳能电池》(2016年第1版及2020年第2版，北京大学出版社，ISBN 978-7-301-31419-7)。

▍Email：bqu@pku.edu.cn

肖立新

本文通讯作者

北京大学教授

▍主要研究领域

(1)钙钛矿太阳能电池；(2)有机电致发光；(3)AI for Science。

▍主要研究成果

2000年获得东京大学博士学位，英国皇家化学学会会士，中国材料学会太阳能分会秘书长、国际信息显示学会(SID) 中国北区执委会学术副主席、中国光学工程学会光显示专业委员会常务委员，Applied Physics Innovation杂志副主编。主持过多项国家自然科学基金、承担973项目子课题等。已在包括Science，Nature，Nat. Rev. Mater.等杂志上发表论文200余篇及申请专利共30余件，入选2020全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单。编著《钙钛矿太阳能电池》(第一、二版)，译著《有机电致发光-从材料到器件》，参与编著《锂离子电池》。2015年度教育部自然科学一等奖(第一完成人，高效有机蓝光材料及其介观结构发光器件研究)。

▍Email：lxxiao@pku.edu.cn

陈志坚

本文通讯作者

北京大学教授

▍主要研究领域

1)硅纳米线柔性电子器件设计与应用；2)硅纳米线微纳能源存储与集成。

▍主要研究成果

2002年在东京农工大学获得博士学位，同年任教于北京大学物理学院，参与龚旗煌教授团队时空小尺度光学研究平台建设，所在团队获国家基金委光学学科创新群体资助。近年来，陈志坚教授主要从事光电功能材料研究，包括有机光折变材料、有机电致发光及非铅钙钛材料，在Science，Chem. Soc. Rev.，Nano Lett.，Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊上发表了多篇学术论文，研究方向涵盖非铅钙钛矿的光探测与太阳能电池、有机电致发光器件物理等。研究成果获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，并荣获2015年度教育部自然科学一等奖。

▍Email：zjchen@pku.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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