论文概览

宽带隙（WBG）钙钛矿太阳能电池（PSCs）是构建高效叠层电池的关键，但其面临两大核心挑战：Br/I相分离导致的稳定性问题，以及埋底界面处复杂的能量损失。传统添加剂工程多聚焦于添加剂与钙钛矿本身的相互作用，而忽略了添加剂与底层自组装单分子层（SAM）之间的相互作用对界面电荷传输的影响。

针对这一难题，中国科学院深圳先进技术研究院杨春雷、张杰团队创新性地引入了一种多功能添加剂——4-胍基苯甲酸盐酸盐（GBAC）。该分子兼具胍基和羧基，通过与钙钛矿形成氢键和配位键，有效调控薄膜结晶、钝化缺陷并抑制卤素离子迁移，显著提升了开路电压（VOC）。更重要的是，研究团队发现GBAC会在埋底界面处富集，进而影响SAM修饰的透明导电氧化物（TCO）衬底的界面偶极和能级排列。通过选择与之匹配的MeO-2PACz作为空穴传输层（HTL），实现了能级的完美对齐，显著提升了填充因子（FF）。最终，带隙为1.66 eV的宽带隙钙钛矿电池获得了23.12%的光电转换效率，FF高达85.64%。将其与CIGS子电池构成四端（4-T）叠层器件后，实现了28.81%的认证效率。

技术亮点

“多功能”添加剂GBAC的全面调控机制： GBAC分子同时含有胍基和羧基，能够与钙钛矿中的Pb²⁺、I⁻/Br⁻以及FA⁺形成多重相互作用（配位键和氢键），实现对薄膜结晶、缺陷钝化和卤素迁移的全方位调控，从根源上抑制了相分离和非辐射复合。

“埋底界面”的协同优化策略： 首次揭示了添加剂GBAC会在钙钛矿薄膜底部（即与SAM的界面处）富集，并与SAM发生相互作用。这一发现打破了传统添加剂工程仅关注钙钛矿本体的局限，将研究视野拓展至埋底界面。

“能级匹配”的精准调控： 通过实验和理论计算，系统研究了GBAC与不同SAM（2PACz和MeO-2PACz）的相互作用。发现GBAC处理后，钙钛矿的费米能级上移，而MeO-2PACz因其更小的偶极矩和更高的表面覆盖度，能与GBAC处理后的钙钛矿形成更优的能级排列，从而实现高效的界面电荷提取。

研究意义

✅ 揭示埋底界面新机制：首次系统研究了多功能添加剂在埋底界面的富集行为及其与SAM的协同作用，为高效宽带隙钙钛矿电池的界面设计提供了全新视角。

✅效率与稳定性协同提升：在1.66 eV宽带隙器件中实现了23.12% 的高效率（VOC达1.26 V，FF高达85.64%），同时在最大功率点跟踪600小时后仍保持94%的初始效率，展现出卓越的运行稳定性。

✅ 验证叠层应用潜力： 成功将GBAC策略应用于四端钙钛矿/CIGS叠层电池，获得了28.81% 的高效率，展示了该策略在下一代高效叠层光伏技术中的巨大应用潜力。          ✅提供普适性解决方案： GBAC添加剂在1.7 eV和1.79 eV的宽带隙器件中也表现出显著的性能提升，证明了其在不同带隙体系中的普适性。

深度精读

GBAC对钙钛矿薄膜形貌、结晶与相稳定性的调控

图1系统展示了GBAC对宽带隙钙钛矿薄膜质量的提升效果。图1a的扫描电镜（SEM）显示，对照组薄膜表面存在大量褶皱和明亮的PbI₂颗粒，而GBAC处理后的薄膜表面更平滑，PbI₂颗粒显著减少。图1b的X射线衍射（XRD）显示，对照组中位于12.6°的PbI₂特征峰在GBAC处理后消失，证实了其对PbI₂残留的抑制。图1c的导电原子力显微镜（c-AFM）显示GBAC处理后薄膜电流更高，导电性更好。图1d-f的光致发光（PL）图谱显示，对照组薄膜PL峰位存在显著波动，表明Br/I分布不均，而GBAC处理后PL峰位更均匀，说明相分离被有效抑制。图1g-h的光照稳定性测试显示，对照组在光照30分钟后PL峰明显红移，表明发生了相分离，而GBAC处理组PL峰位保持稳定，证明其显著增强了宽带隙钙钛矿的相稳定性。

GBAC与钙钛矿的相互作用机制

图2从分子层面揭示了GBAC与钙钛矿的键合方式。图2a-b的X射线光电子能谱（XPS）显示，GBAC处理后Pb 4f和I 3d峰均向低结合能位移，表明GBAC与未配位的Pb²⁺和I⁻/Br⁻发生了相互作用。图2c的傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，GBAC中的C=O峰在与PbI₂混合后发生位移，证实了羧基与Pb²⁺的配位作用。图2d的FTIR显示，GBAC中的N-H峰在与FAI混合后发生位移，证实了胍基与FA⁺的氢键作用。图2e-f的核磁共振（NMR）进一步验证了上述相互作用。这些结果表明，GBAC通过多重化学键合（配位键和氢键）与钙钛矿形成强相互作用，从而实现对缺陷的全面钝化。

GBAC与SAM的协同作用对器件性能的影响

图3展示了GBAC在不同SAM衬底（2PACz和MeO-2PACz）上对器件性能的影响。图3a的J-V曲线显示，GBAC处理显著提升了器件的VOC（从1.14 V提升至1.26 V），但在2PACz衬底上，填充因子（FF）却有所下降（从80.58%降至78.95%），而在MeO-2PACz衬底上，FF大幅提升至85.64%，最终效率达23.12%。图3b-c的统计分布进一步证实了这一差异。图3e的光强依赖性VOC测试显示，GBAC处理的器件斜率更小，表明陷阱辅助复合被抑制。图3f的光致发光量子产率（PLQY）测试显示，GBAC处理显著提升了准费米能级分裂（QFLS），抑制了非辐射复合。图3g的FF损失分析表明，GBAC (2PACz)器件存在明显的电荷传输损失，而GBAC (MeO-2PACz)器件则消除了这一损失，揭示了能级匹配对FF的关键作用。

埋底界面能级对齐与电荷传输机制

图4深入揭示了GBAC在埋底界面的富集行为及其对能级排列的影响。图4a的器件结构示意图展示了GBAC在埋底界面富集的机制。图4b的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）深度分布显示，GBAC的特征信号（CHOO⁻）在SAM层（PO₂⁻）附近显著富集，证实了GBAC在埋底界面的积累。图4c-g的紫外光电子能谱（UPS）测试结果显示，GBAC处理后，钙钛矿的费米能级从-4.85 eV上移至-4.63 eV。MeO-2PACz衬底的功函数（-4.68 eV）与GBAC处理后的钙钛矿（-4.63 eV）更匹配，而2PACz的功函数（-4.90 eV）则存在较大的能级偏移。这种能级失配导致了GBAC (2PACz)器件中空穴提取受阻和FF下降。该图清晰地阐明了GBAC与SAM的协同作用机制：GBAC不仅钝化了体相和界面缺陷，还通过改变钙钛矿表面能级，需要与合适的SAM配合才能实现最优的能级匹配和电荷提取。

GBAC在四端钙钛矿/CIGS叠层器件中的应用

图5展示了基于GBAC策略的半透明宽带隙钙钛矿电池在四端叠层器件中的性能。图5a为器件结构示意图。图5b的J-V曲线显示，半透明钙钛矿顶电池获得了20.97%的效率（VOC为1.24 V，FF为83.65%）。图5c的外量子效率（EQE）谱图显示，顶电池（半透明PSC）和底电池（CIGS）的光谱响应得到了很好的互补。经过顶电池滤波后，CIGS底电池的效率为7.84%。最终，四端叠层器件获得了28.81%的总效率，充分证明了GBAC策略在高效率叠层光伏领域的巨大应用潜力。

结论展望

本研究创新性地引入多功能添加剂GBAC，成功解决了宽带隙钙钛矿太阳能电池中相分离和界面能量损失两大核心难题。GBAC通过与钙钛矿的多重化学键合，显著提升了薄膜质量和相稳定性。更重要的是，研究首次揭示了GBAC在埋底界面的富集行为及其与SAM的协同作用机制。通过选择能级匹配的MeO-2PACz作为空穴传输层，实现了高效的界面电荷提取，最终在1.66 eV宽带隙器件中获得了23.12%的高效率（FF达85.64%），并在四端钙钛矿/CIGS叠层器件中实现了28.81%的高效率。这项工作不仅为宽带隙钙钛矿电池的界面工程提供了新思路，也为推动高效叠层光伏技术的商业化发展奠定了坚实基础。

文献来源

Chen, X., Hu, X., Sun, H., et al. "Suppressing Phase Segregation and Optimizing Interface Carrier Extraction in High-Efficiency Wide Bandgap Perovskite Solar Cells."Advanced Functional Materials, 2026.

https://doi.org/10.1002/adfm.202529991

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