论文概览
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是光伏领域的“潜力股”，但长期受困于效率与稳定性难以兼顾。界面工程是一个有效的解决方案，传统低维（LD）界面用高反应性大阳离子，虽提升导电性，却因高反应性导致稳定性差，而化学惰性大阳离子虽稳定，但反应性低、本身的导电性很差，严重限制了其的有效性。但不可否认，化学惰性低维(CI LD)卤代金属盐界面结合了低反应性的大体积阳离子，可以解决钙钛矿型太阳能电池(PSC)效率和稳定性之间的权衡。因此新加坡南洋理工大学Tze Chien Sum和Yeng Ming Lam团队介绍了一种选择性模板生长策略（STG），该策略利用传统的亚稳态LD界面作为模板，通过有机阳离子交换过程来驱动更稳定的CI LD界面的生长。这一策略有效地克服了传统方法的关键限制，消除了半前驱体(HP)方法中化学惰性大体积阳离子与3D钙钛矿之间的反应以及全前驱体（FP）方法中对CI LD界面材料的FP ACN溶液的要求。该方法成功构建了具有高导电性与高稳定性的CLLD界面，实现了25.1%的高效率（活性面积1.235 cm²），并在运行1000小时与85°C热老化1100小时后分别保持93%与98% 的初始效率。该研究以“Selective templating growth of chemically inert low-dimensional interfaces for perovskite solar cells”为题发表于Nature Energy。
技术亮点
STG策略创新：利用亚稳态PA₂PbI₄模板，通过有机阳离子交换实现CLLD界面生长，突破传统HP与FP方法限制。
高效电荷传输：所构建的2D (PIEA)PbI₄界面具有部分面内取向，电子迁移率达3.8×10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹。
优异稳定性：在操作与热应力条件下表现出卓越的耐久性，远超传统低维界面。
普适性强：适用于多种CLLD材料（如3MTPA、BPMA、PiEA等）及无铅体系（如(PIEA)SnI₄）
深度解析
图1通过示意图直观地对比了传统方法与新提出的选择性模板生长策略。该图表明，传统的HP和FP在构建化学惰性低维界面时面临巨大挑战，前者受限于大体积阳离子与三维钙钛矿的低反应性，后者则因目标界面材料前驱体在正交溶剂中的溶解度过低而难以实施。该团队提出的STG策略在图d中详尽展示，STG过程首先使用FP方法在3D钙钛矿表面沉积亚稳定的二维(2D)钙钛矿层PA2PbI4。该亚稳态层被战略性地设计为用作更稳定的目标CILD界面的后续生长的模板。然后将溶于醇(R-OH，其中R为甲基、乙基或异丙基)的目标低活性大块阳离子(An+，其中A代表PREA、PIEA、BPMA等，n=1或2)旋涂到PA2PbI4模板上。通过乙醇诱导选择性地刻蚀模板的大块阳离子PA+和同时插入目标大块阳离子AN+，PA+和AN+之间发生了整体的有机阳离子交换，最终形成了目标CILD界面AnPbI4。并且在补充信息中的理论计算和相关表征也能证明此方法的理论与实际的吻合。
图2通过图2A,2B可以看到通过STG策略第一步得到的结果与原始的PA2PbI4薄膜中观察到的结果一致，证实了模板2D PA2PbI4在这一阶段成功地形成并保持了其在3D钙钛矿表面的原始结构。在PA2PbI4模板上沉积(PiEA)I2后，PA2PbI4的特征X射线衍射峰和激子吸收峰消失。同时，出现了一个与原始的(PiEA)PbI4薄膜对应的新峰。通过GIWAXS可以看到3D/(PiEA)I2制备的薄膜没有明显的低维相存在，但制备的3D/STG目标2D叠层薄膜中的2D(PiEA)PbI4成分具有特征的半布拉格环，表明所制备的2D (PiEA)PbI4成分可能具有混合的但不是完全随机的取向，包括面外和面内方向。这种较少有序的2D (PiEA)PbI4界面层中并入的部分面内取向更有利于电荷传输。通过SEM可以看到在STG过程中，3D钙钛矿的颗粒尺寸几乎保持不变，表明该过程对3D钙钛矿薄膜的腐蚀可以忽略不计。
图3深入解释了STG策略背后的反应机制。基于实验，他们发现将(PiEA)I2溶液沉积到PA2PbI4模板会产生中间相，并且退火处理会转变为目标(PiEA)PbI4。并且(PiEA)PbI4结构很容易被空白IPA溶剂通过对PA+的选择性刻蚀而破坏，留下PbI2，这归因于PA2PbI4的本征亚稳性和PAI在IPA中的高溶解度。结合实验结果和理论计算，他们推测3D/STG 2D-(PiEA)PbI4体系的演变可以分为四个主要阶段：首先，3D/模板2D-PA2PbI4堆叠是通过直接将2D PA2PbI4沉积到3D钙钛矿上来制备的。接下来，3D/PbI2(PiEA)I2中间层与PAI和(PiEA)I2残基一起形成，作为两个关键过程的结果：R-OH诱导模板的大块阳离子PA+的选择性刻蚀和目标大块阳离子PiEA2+的同时插层，这是由(PiEA)I2R-OH溶液的后续沉积触发的。然后，3D/STG-目标2D-(PiEA)PbI4堆叠与PAI和(PiEA)I2残留物一起，通过后退火处理将PbI2-(PiEA)I2中间体转换成目标(PiEA)PbI4而形成。最后，通过IPA洗涤处理去除PAI和(PiEA)I2残基，得到纯化的3D/STG- 2D-(PiEA)PbI4堆叠。通过NMR可知经IPA洗涤处理后残留的PAI可以完全去除。 并且形成的目标2D (PiEA)PbI4结构在结构上对 IPA 清洗处理具有抵抗力。
图4为了验证STG策略的适用性，他们制造了p-i-n架构的3D/STG目标2D PSC，研究表明采用 2D 模板后，功率转换效率（PCE）从19.8% ± 0.5% 略有增加至 20.5% ± 0.3%，而采用STG 目标 2D 界面层则显着提高至 25.1% ± 0.2%。这一显着改进主要归因于开路电压 (VOC) 从 1.042 ± 0.019 V 大幅增加至1.204 ± 0.005 V。性能最佳的 3D/STG 目标2D 器件实现了 25.6% 的PCE，VOC为1.200 V，填充因子 (FF) 为85.2%，短路电流密度 (JSC) 为25.0 mA cm−2在 0.06 cm2的小活动区域上。此外3D/STG目标 2D PSC 还表现出可忽略不计的滞后，在最大功率点 (MPP) 附近测得的稳定功率输出为 25.0% 经过选择性模板生长策略处理的电池在连续运行1000小时和85℃热老化1100小时后，分别保持了超过93%和98%的初始效率，凸显了化学惰性低维界面在提升器件长期稳定性方面的巨大优势。
结论展望
本研究的STG 策略大大扩展了 3D 钙钛矿的界面选项，使其成为一系列极具前景的 CI LD 材料，其中包含低反应性大体积阳离子。由于这些大体积阳离子的低反应性以及 CI LD 材料前体在与3D 钙钛矿相容的正交溶剂中的溶解度限制，这是以前无法实现的。并且可以预见的是此方法还可以在适配刮涂等溶液法，为大面积制备铺路。
文献来源
Rao, H., Ye, S., Salim, T. et al. Selective templating growth of chemically inert low-dimensional interfaces for perovskite solar cells. Nat Energy (2025).
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01815-8
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