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近日，开元985棋牌最新官网（深圳）理工学院Randi Azmi教授团队与多所高校的一项合作研究刊发在国际知名期刊Science上。

研究表明，多价态的共振稳定的脒基配体相比传统单价铵配体，在低维钙钛矿中能够实现更强的化学配位和减少去质子化的不良影响。基于此，Randi Azmi教授等研究者通过系统调控配体构象，引入了可控的由一维至二维（1D至2D）结构转变策略，从而调节氢键、π–π堆叠以及碱性，以阐明分子结构、界面相互作用与最终钙钛矿维度之间的关系。一维脒基钙钛矿结构由于其显著的几何各向异性，阻碍了均匀表面覆盖和缺陷钝化。相比之下，二维脒基钙钛矿形成连续的均匀界面层，使得缺陷钝化更有效，且能级匹配更优。通过维度调控策略，实现了高效稳定的大面积倒置P-I-N结构的脒基钙钛矿太阳电池，经过权威机构认证，1.1cm²单结钙钛矿太阳电池的稳态认证效率为25.4%，并在85℃、1个太阳光照持续照射1100小时后仍保持超过95%的初始效率；进一步放大至6.8cm²的钙钛矿太阳电池组件，其效率达24.2%。

论文链接：

science.org/doi/10.1126/science.aea0656

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Image: Xiaoming Chang

一、期刊介绍

Science杂志创刊于1880年，是全球最具影响力的综合性科学期刊之一。它以发表具有重大突破性与广泛学科意义的原创研究著称，长期引领科学前沿方向。凭借严苛的同行评议与极高的学术门槛，Science成为国际科研界公认的“标杆平台”。其论文常被学术界、产业界与政策制定者广泛引用与关注，对科研趋势与技术转化具有显著带动作用。

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二、研究背景

钙钛矿太阳电池虽兼具高效率与低成本潜力，但其实际应用仍受制于长期运行下的热、光、电应力，界面衰退成为制约效率与寿命协同提升的关键瓶颈。为此，在不过度增加工艺复杂度的前提下构筑稳定、可控的界面钝化层，是实现大面积制备与应用化的重要方向。近年来，在三维（3D）钙钛矿表面引入超薄低维（LD，包括一维/二维）钙钛矿，成为提升稳定性的有效策略，可显著降低界面非辐射复合、提高开路电压并抑制离子迁移。然而，传统使用的单价铵盐配体与晶格结合较弱，在热、光或偏压应力下易发生去质子化以及扩散等副反应，导致低维钙钛矿钝化层不连续，器件性能衰减快。

针对上述问题，本研究聚焦于“配体结构如何决定低维相维度与覆盖均匀性”，设计了一系列配体，提出了“多价锚定+碱性引导构象”的分子设计原则。该策略成功实现了连续且可重构的低维钙钛矿层，在保持高效率的同时，显著提升了器件在高温连续运行下的稳定性，为倒置结构钙钛矿太阳电池走向可靠应用提供了具有推广价值的材料与工艺路径。

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三、研究内容

从“试错”到“筛选”：建立pK_a+DFT维度判据

在3D钙钛矿表面引入低维层是提升器件性能的有效策略，但不同配体倾向形成的维度（1D或2D）难以预测，常导致覆盖层不连续、效率提升无法复现。为此，研究团队将配体选择从“经验试错”转向“规则筛选”。该团队创新性地结合两个关键物理化学参数：pK_a1（反映脒基的抗去质子化能力，关乎化学稳定性）与pK_a2（反映吡啶氮的碱性，关联其配位与氢键能力），并结合DFT计算比较配体形成1D与2D结构的反应能差（ΔE_2D?1D），从而在分子层面建立了一个可预测的维度倾向判据（图1A）。该判据在器件性能上得到直接验证：ΔE_2D?1D>0的配体（如m-APY、m-AMPY）更易形成2D覆盖层，其器件效率分布显著更高且更集中；而ΔE_2D?1D<0的配体（如BZA、o-APY、p-APY）倾向形成1D结构，效率提升则相对有限（图1B、E）。这初步证明了“按判据选配体→定维度→提效率”路径的可行性。

图1：低维钙钛矿封端配体的筛选

（A）各配体的脒基pK_a1值与吡啶氮的pK_a2值。

（B）各配体（碘基配体）1D与2D结构的DFT计算反应能（ΔE）。ΔE_2D?1D（虚线）为正值表示热力学上更倾向于形成2D结构，负值则表示1D结构更稳定。

（C）低维钙钛矿结构示意图，包括2D钙钛矿(BZAM)₂PbI₄、1D钙钛矿(BZA)₂Pb₃I₈ 和2D钙钛矿(m-APY)₂PbI₄。

（D）对照器件与经不同配体处理器件的准费米能级分裂（QFLS）比较，涉及3D钙钛矿、3D/配体分子钝化和3D/LD异质结结构。

（E）不同钝化类型器件的能量转换效率，所有数据均为每种条件下九个独立电池的测量结果。

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微观验证：2D倾向如何塑造优质覆盖层

理论预测需要微观事实的支撑。为了确认2D倾向配体能否真正形成更优质的覆盖层，研究团队在薄膜层面进行了多尺度表征。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）显示，2D-m-APY处理后的薄膜具有高度有序的层状衍射特征，而1D体系信号则更为弥散（图2A）。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，1D配体（如BZA）易在表面形成微米级棒状晶体，导致覆盖不均；而2D-m-APY则形成了均匀紧凑的覆盖层（图2B）。原子力显微镜（AFM）进一步证实，2D体系表面更平整、粗糙度更低（图2C）。最关键的电学性能证据来自导电原子力显微镜（C-AFM）：2D覆盖层下的薄膜展现出均匀、连续的电流分布，显著优于1D体系及对照组（图2D）。这些结果从结构、形貌到电学性质，全面验证了维度判据的可靠性，并阐明2D结构在实现均匀覆盖、促进横向电荷传输方面的内在优势。

图2：3D/LD钙钛矿的特性

（A）钙钛矿薄膜的二维掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图。

（B）钙钛矿薄膜表面形貌的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像。

（C）钙钛矿薄膜的原子力显微镜（AFM）高度图。每张图下方标明了最大高度（Max）和均方根表面粗糙度（RMS）值。

（D）钙钛矿薄膜的导电原子力显微镜（C-AFM）电流分布图。

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深入机理：界面稳定性与能级匹配的终极考验

在证实2D覆盖层具有形貌和电学优势后，研究转向更关键的实践问题：该界面在器件工作条件下能否保持长期稳定？这要求配体不仅要实现均匀覆盖，更要形成强健界面结合并维持长效稳定性。为此，团队通过原位光致发光（in situ PL）实时监测钝化过程，发现含吡啶的配体（如m-APY、m-AMPY）能更快地提升荧光强度，表明其可有效钝化表面缺陷（图3A-H）；其中m-APY的结合过程虽较慢，却更为充分，且在退火后仍保持较高的荧光强度，显示出更稳健的钝化效果（图3G、H）。随后，X射线光电子能谱（XPS）从化学稳定性层面揭示出关键差异：铵基配体m-AMPY在退火后可能发生去质子化，并与钙钛矿中的FA⁺反应生成新产物，带来界面退化风险（图3I、J）；而具有更高pK_a1的脒基配体（如m-APY）则表现出更好的稳定性。与此同时，紫外光电子能谱（UPS）测量表明，二维倾向的配体能显著调控三维钙钛矿表面功函数与价带位置，使得表面呈现与C60电子传输层相符合的n型特征，从而改善倒置器件中的电荷提取效率（图3K、L）；同时，这种能级调控优势也与更完整、更均匀的表面覆盖相互印证。

图3：化学作用与钝化效果

（A至H）不同配体处理样品在旋涂与退火过程中的原位光致发光（PL）光谱序列及对应强度图。

（G、H）从（A至F）中提取的PL峰强随时间演化曲线，分别对应旋涂（G）和退火（H）过程。

（I、J）钙钛矿薄膜的X射线光电子能谱（XPS）分析：

（I）I 3d谱，（J）Pb 4f 谱。

（K、L）钙钛矿薄膜的紫外光电子能谱（UPS）分析：

（K）二次电子截止边与价带谱，（L）总结的功函数（WF）与价带顶（VBM）位置。

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器件性能与稳定性：从高效认证到长期运行验证

研究团队进一步将优化后的2D-m-APY体系应用于实际器件，以验证其综合性能。在1cm²器件中，实现了26.5%的光电转换效率（图4A）。经中国计量科学研究院（NIM）独立认证，其稳态效率达到25.4%（~1.1cm²）。更值得注意的是，在小型模块（6.8cm²）上，效率仍高达24.2%，且填充因子损失极小，展现出优异的可扩展性与均匀性（图4B）。这证明了二维覆盖层在放大制备中的独特优势。

在稳定性方面，研究通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）揭示了不同配体在热老化后的界面行为差异：二维m-APY形成的覆盖层结构稳定，几乎不发生扩散；而一维BZA及二维m-AMPY则出现明显的分子迁移，对应其较弱的界面稳定性（图4C-E）。最终，在85℃、持续1个太阳光照的严苛条件下进行最大功率点跟踪，封装后的2D-m-APY器件在运行超过1100小时后，仍能保持95%以上的初始效率（图4F），实现了高效率与高稳定性的统一。

图4：光伏性能与稳定性

（A）基于2D-m-APY的大面积器件（1.0cm²；插图为器件示意图）的电流密度-电压（J-V）曲线。

（B）采用2D-m-APY的迷你组件（四个子电池，6.8cm²；插图为组件示意图）的J-V曲线。

（C）通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析BZA、m-APY和m-AMPY在新鲜与热老化（85℃，12小时）钙钛矿薄膜中的分布。

（D、E）使用不同配体的3D/LD钙钛矿异质结界面稳定性示意图对比：

（D）新鲜的3D/LD异质结，（E）热应力老化后的异质结。

（F）基于2D-m-APY的封装器件在85℃、1个太阳光照、环境空气条件下最大功率点（MPP）跟踪的运行稳定性。

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四、研究结论

本研究提出了一种基于多价脒基配体的“维度与均匀性精准调控”界面工程新策略。通过引入多价锚定与碱性引导的分子设计原则，成功实现了低维钙钛矿覆盖层从一维（1D）到二维（2D）的结构可控构建，解决了传统界面层不均匀和不稳定的关键难题。

该策略在器件层面取得了三项突出成果：一是在高效率上，实现了约1.1cm²单结电池25.4%的稳态认证效率，并成功扩展至6.8cm²组件，效率达24.2%，展现出优异的可扩展性与工艺兼容性；二是在高温运行稳定性上，封装器件在85℃、持续1个太阳光照的最大功率点跟踪下，运行超过1100小时后仍保持95%以上的初始效率；三是在机理层面，建立了“pK_a1/pK_a2+DFT计算”的维度倾向判据，并通过多尺度表征揭示了2D覆盖层在均匀性、缺陷钝化、能级匹配与化学稳定性方面的综合优势。

该工作不仅为倒置型钙钛矿太阳能电池提供了兼具高效率、高稳定性与可扩展性的界面解决方案，更从分子设计角度为钙钛矿界面工程提供了可预测、可调控的新范式，对推动其走向实际应用具有重要指导意义。

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五、作者简介

通讯作者：Randi Azmi教授

Randi Azmi教授于2014年获印度尼西亚大学凝聚态物理专业学士学位，2020年获韩国国民大学应用纳米化学博士学位。在加入开元985棋牌最新官网（深圳）前，他于2020年担任沙特阿卜杜拉国王科技大学博士后研究员，并于2024年晋升为研究科学家。Azmi教授已在国际知名期刊发表/合作发表45+篇论文（h-index=32，被引超4,600次），包括Science（4篇）、Nature（2篇）、Joule（3篇）、Nature Communications（2篇）、Advanced Materials（2篇）、Advanced Energy Materials（7篇）及ACS Energy Letters（7篇）等。2022年，他因在科学技术与创新领域的卓越贡献荣获东盟青年科学家奖。近期，他荣获国家级人才项目及2024年深圳市市级人才项目，他的研究亦荣获国家自然科学基金委员会资助。

共同第一作者：刘妍娉

刘妍娉是理工学院能源科学与工程专业的博士生，在Randi Azmi教授指导下从事异质结钙钛矿太阳能电池研究。其研究成果已在Nature Reviews Materials等期刊发表8篇论文。其研究紧密围绕清洁能源技术体系，以新一代钙钛矿太阳能电池为核心，致力于通过界面工程提升其光电转换效率，其研究也涵盖了氢能制备与新型储能等领域。

参与作者：王荣波

王荣波同学是理工学院能源科学与工程专业2025级博士生。2021年获西安电子科技大学学士学位，2024年获南开大学硕士学位。他已在SCI一区期刊发表论文数篇，其中一作（含共同一作）四篇，包含Journal of Energy Chemistry（2篇）、Science China Chemistry（1篇）以及Chemical Engineering Journal（1篇）。另外已授权中国国家发明专利一项并获得2023年研究生国家奖学金。

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六、团队介绍

Randi Azmi教授的研究团队——HERO实验室（可再生能源异质结材料实验室）。该团队致力于对基于有机-无机杂化异质结薄膜的高效单结及多结太阳能电池开展广泛研究。团队目标是开发兼具高效率和稳定性的下一代太阳能电池技术。围绕这一重点，该团队从多学科交叉角度推动技术进步，研究领域涵盖从新型材料到器件制备的全链条，包括工艺与材料优化，并在实际工作环境中评估太阳能电池性能，最终目标是推动其达到产业化水平。

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供稿 | Randi Azmi教授团队

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