文章概述
本文针对宽带隙钙钛矿/硅叠层太阳能电池中钙钛矿与电子传输层（C60）界面处的严重能量损失问题，设计并合成了一种新型的多功能笼状双铵氯化物分子（1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷氯化物，DCl）用于界面修饰。该分子独特的结构同时具备路易斯酸和路易斯碱官能团，能有效钝化钙钛矿表面正负电荷缺陷，抑制非辐射复合。更重要的是，其固有的强分子极性和笼状阳离子能在钙钛矿表面诱导形成自发面内取向的纯相准二维钙钛矿，该结构表现出显著的铁电效应。这种铁电界面能够优化表面能带排列，形成有利的界面偶极，降低表面功函数，从而促进光生载流子的分离和提取。基于此，成功制备了效率高达22.6%（0.1 cm²）的1.68 eV宽带隙钙钛矿单结电池。将其应用于单片式钙钛矿/硅叠层电池后，获得了31.1%（1.0 cm²）的认证效率，并在非封装条件下展示了超过1020小时的良好运行稳定性（T85）。这项工作通过铁电界面物理为开发高效稳定的钙钛矿基叠层光伏器件开辟了新途径
创新点分析
揭示并利用准二维钙钛矿的铁电性：首次报道了由这种3D笼状双铵阳离子诱导生成的准二维钙钛矿具有显著的面内铁电效应。通过压电力显微镜（PFM）等手段证实了其铁电畴的可翻转特性，并利用铁电极化产生的附加电场进一步增强了器件的内建电场，提升了开路电压和填充因子。
实现铁电物理在高效叠层电池中的成功应用：首次将这种铁电界面工程应用于钙钛矿/硅叠层太阳能电池，显著降低了界面能量损失，实现了超过31%的顶尖效率，并证明了该策略对大面积器件（4 cm²）的适用性（效率28.4%）和优异的长期运行稳定性，为叠层电池性能逼近理论极限提供了新范式。
Figure 1通过SEM和AFM展示了DCl处理前后钙钛矿薄膜的表面形貌变化。未处理的对照组薄膜在晶界处存在离散的片状物，而经DCl处理后，薄膜表面发生重构，形成了均匀分布在钙钛矿晶粒表面的众多小晶粒，且残余PbI₂消失，表明DCl分子与钙钛矿发生反应并自组装成新相。AFM结果显示DCl处理后的薄膜表面粗糙度略有降低，有利于与电子传输层的界面接触。GIWAXS图谱（图c, d）和沿面内方向（qx）的一维曲线（图e）清晰表明，DCl处理诱导产生了纯相的n=3准二维钙钛矿，并且其衍射信号仅出现在面内方向（qxy轴），而面外方向（qz轴）没有信号，证明了该准二维钙钛矿是垂直于基底、面内取向生长的，这与传统链状铵盐诱导的面外取向生长截然不同，更有利于倒置结构器件中的电荷传输。
Figure 2表征了DCl对钙钛矿薄膜缺陷的钝化作用。QFLS测试（图a）显示，沉积C60后，钙钛矿/C60界面的PLQY急剧下降，QFLS值显著降低，表明存在严重的界面非辐射复合。而引入DCl层后，PLQY和QFLS值大幅恢复，证明DCl有效抑制了C60诱导的复合损失。稳态PL mapping（图b, c）显示DCl处理后的薄膜荧光分布更均匀、强度更高。TRPL和基于共聚焦激光扫描荧光显微镜（CLSM）的载流子寿命成像（图e, f）均表明，DCl处理后的薄膜具有更长的载流子寿命和更均匀的寿命空间分布，晶界和晶粒内的寿命差异减小，证实了DCl对表面缺陷全面且均匀的钝化效果。理论计算（图h, i）进一步揭示DCl能够有效抑制深能级缺陷态密度，从机理上解释了非辐射复合的减少。
Figure 3研究了DCl对钙钛矿表面电子结构和铁电性能的影响。UPS表明，DCl处理使钙钛矿表面功函数从4.03 eV降低至3.82 eV，VBM远离费米能级，表明表面能带从p型向n型转变，形成了有利于电子提取的向下能带弯曲。KPFM在暗态下的测量结果与UPS一致，DCl薄膜的平均接触电势差更高，证实了表面功函数的降低。DFT计算（图c-e）表明，笼状阳离子的吸附引入了强烈的界面偶极，导致表面功函数显著上移，电荷密度差分图直观展示了电荷从钙钛矿表面向笼状阳离子转移的过程。压电力显微镜（PFM，图f-h）是证明铁电性的关键：当施加±10V偏压时，DCl处理后的薄膜显示出清晰且相位相反（约180°差异）的铁电畴翻转信号，而对照组则没有响应，相位分布直方图（图h）进一步定量证实了DCl诱导的准二维钙钛矿具有可切换的铁电性。
Figure 4展示了DCl修饰对单结和叠层器件性能的提升及其铁电极化机制。未经极化时，DCl处理的单结钙钛矿电池效率从19.0%提升至21.9%（图a），大面积（1.21 cm²）器件效率达21.0%（图b）。对器件施加正向外偏压（0.5 V，5分钟）进行极化后，DCl器件的性能得到进一步全面提升，冠军效率达到22.6%（Voc=1.238 V, FF=83.6%, Jsc=21.8 mA cm⁻²），而对照组器件参数几乎无变化（图c）。图d的示意图解释了铁电极化机制：极化前，DCl基铁电准二维钙钛矿的自发极化增强了内建电场（Ebi），但电偶极取向混乱；极化后，电偶极沿电场方向有序排列，产生附加电场，叠加在Ebi上，进一步促进电荷分离和提取，同时增强电场钝化，抑制界面复合，从而提升所有光伏参数。在钙钛矿/硅叠层电池中（图e-g），DCl处理使效率从28.4%提升至30.5%，经极化后进一步达到31.1%的认证效率。
文章来源
https://doi.org/10.1038/s41467-025-63720-8
