论文概览
钙钛矿太阳能电池因其溶液加工性和优异半导体特性，被认为是极具商业化前景的光伏技术。然而，电池性能的衰减往往与界面处的化学反应和缺陷演化密切相关，其中空穴传输层与钙钛矿层之间的埋底界面尤为关键。
该界面不仅是钙钛矿成核、结晶、电荷分离和空穴传输的核心区域，还容易产生缺陷积累、载流子传输受阻和非辐射复合损失。更为棘手的是，残余应力会引发钙钛矿晶格畸变，导致位错和空位等缺陷形成，严重影响薄膜稳定性。
基于此，陕师大冯江山&大连化物所刘生忠&中石油蒋龙提出一种基于三苯胺衍生物（TAPC）的埋底界面改性策略，创新性地提出了热膨胀系数梯度排列的策略，构建了"应力释放-缺陷钝化-电荷传输"三元协同的界面调控模型，实现了应力释放、缺陷钝化与电荷传输的三重协同提升。最终，优化后的倒置结构钙钛矿太阳能电池效率提升至26.05%，柔性器件效率也达到24.39%，同时器件稳定性获得显著增强。
技术亮点
1.分子设计：TAPC分子具有独特的C-N活性位点，能够与Pb²⁺形成强相互作用（结合能-1.96 eV），有效钝化界面缺陷。同时，其芳香环结构与空穴传输层分子形成π-π堆积，构建连续的电荷传输路径。
2. 应力释放机制：通过引入TAPC中间层，建立了从空穴传输层到钙钛矿层的热膨胀系数梯度过渡，显著降低了因热膨胀系数不匹配导致的界面应力积累。
深度精读
图1：TAPC分子界面修饰机理验证
图1通过多维度实验与理论计算，揭示了TAPC分子的双重功能机制。DFT计算证实，TAPC的C-N键与钙钛矿Pb²⁺具有强结合能（-1.96 eV），能有效钝化界面缺陷；同时其与空穴传输层（SAM）分子间存在π-π共轭（-0.78 eV），利于构建电荷传输通道。分子动力学模拟直观显示，TAPC的引入抑制了SAM分子聚集，使界面结构更致密有序。实验表征（FTIR和XPS）提供了关键证据：TAPC与PbI₂作用后C-N峰位移，与钙钛矿作用后Pb4f峰发生化学位移，共同证实了C-N-Pb键的形成，实现了缺陷钝化与空穴传输增强的协同。
图2：TAPC修饰有效释放钙钛矿薄膜残余应力
图2通过系统的物相与力学表征，证实TAPC埋底界面修饰能显著降低钙钛矿薄膜的残余应力。XRD与GIXRD分析表明，相较于对照组，TAPC改性薄膜的（100）晶面衍射峰位移更小。深度分辨GIXRD测试显示，改性薄膜的晶格应变斜率K值更小，计算得出其残余应力从267.4 MPa大幅降至44.7 MPa，应力释放效果显著。在机械性能方面，PFQNM测试显示TAPC改性薄膜的杨氏模量从22.68 GPa降低至18.67 GPa，同时表面粗糙度减小，表明其机械柔韧性增强，界面更为平整。这为制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池提供了关键的力学基础。
图3：梯度热膨胀系数设计抑制应力与离子迁移
图3深入揭示了TAPC层通过调控热膨胀系数（CTE）来抑制热应力和离子迁移的机理。研究首先通过对比不同基底和钙钛矿薄膜的CTE，发现TAPC修饰层在HTL与钙钛矿之间建立了一个梯度热膨胀系数过渡区。理论计算表明，该设计使薄膜内部热应力显著降低了20%。变温XRD实验证实，在不同退火温度下，生长在HTL-TAPC基底上的钙钛矿薄膜其（100）晶面的衍射角位移和晶格应变均小于对照组，直接证明了热应力得到有效缓解。此外，温度依赖的电导率测试显示，TAPC修饰将钙钛矿薄膜中的离子迁移活化能从85 meV提升至108 meV，表明该界面层能有效锚定离子、抑制离子迁移，这为器件长期稳定性的提升提供了关键保障
图4：TAPC显著提升薄膜质量与载流子动力学性能
图4通过多尺度表征证实，TAPC修饰层能显著改善钙钛矿薄膜质量并优化其光电性能。SEM图像显示，改性后的薄膜在埋底界面和顶部表面均表现出更好的平整度与致密性，晶粒尺寸增大且晶界接触更佳，表明薄膜质量得到全面提升。
在光电性能方面，稳态荧光（PL）光谱表明改性薄膜的发光强度显著增强，时间分辨荧光（TRPL）测试显示其载流子平均寿命从2553.8 ns延长至3932.8 ns。空间电荷限制电流（SCLC）测试进一步揭示，器件的缺陷态密度从 4.03×1017cm-3降至2.73×1017 cm-3。这些数据共同证明，TAPC修饰有效抑制了非辐射复合，减少了陷阱态。PL mapping图像直观展示了更均匀、更强的荧光寿命分布，XRD图谱也证实薄膜结晶性增强。这些优化共同促进了后续器件性能的突破。
图5：TAPC优化能带排列并提升空穴传输性能
图五通过光电子能谱与电学测试，揭示了TAPC修饰层对能带结构和电荷传输的优化作用。UPS测试结果表明，引入TAPC后，空穴传输层（HTL）的费米能级从-4.58 eV变为-4.70 eV，价带顶（VBM）从-5.28 eV变为-5.63 eV。这一变化将HTL与钙钛层之间的能级偏移从0.74 eV优化至0.39 eV，实现了更理想的能带对齐，减少了界面能量损失，为高效空穴提取提供了有利的热力学驱动力。在电荷传输性能方面，基于Mott-Gurney公式的计算显示，TAPC修饰使空穴迁移率从0.622×10−3cm2 V−1S−1显著提升至 1.085×10−3 cm2V−1S−1。同时，HTL的本征电导率也大幅增强。空穴传输能力的双重提升有效促进了界面电荷的分离与收集，减少了复合损失，为器件实现高填充因子和高开路电压奠定了关键基础。
图6：器件性能实现突破性提升
图6展示了TAPC修饰后器件的最终光伏性能。冠军刚性器件的效率从24.22%提升至26.05%，并实现了0.36V的低开路电压损失，为同类带隙器件中报道的最低值。柔性器件效率也达到24.39%，处于领先水平。稳定性测试表明，未封装器件在空气中1500小时后仍保持91%的初始效率，连续光照1000小时后保持92%，性能与稳定性均实现显著突破。
文献来源
F. Song, N. Yan, Y. Cao, J. Zhang, D. Qi, J. Shan, Y. Liu, L. Jiang, T. Li, L. Li, S. (F.) Liu, J. Feng, Angew. Chem. Int. Ed.. 2025, e202516012. https://doi.org/10.1002/anie.202516012
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