钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转换效率（PCE）和简便的制造工艺而备受关注。然而，在光照和高温等工作条件下的稳定性不足仍然是其商业化的主要障碍。钙钛矿界面上未配位的离子及由此产生的不稳定对离子不仅导致效率下降，还会引发严重的离子迁移，触发相分离并导致薄膜分解。在本研究中，我们整合了协同阳离子-阴离子调控的概念，设计了一种热稳定分子—4,5-二氰基咪唑（DCI）。它能够与Pb²⁺和I⁻离子发生吸附，实现对离子缺陷位点的协同钝化。该策略改善了能级排列并抑制了界面复合。因此，经过DCI修饰的PSCs实现了令人瞩目的26.10%的PCE，器件的稳定性大幅提升。
DCI 修饰的协同阳离子-阴离子操控机制。未配位离子及由此引起的不稳定对离子导致钙钛矿结构降解的示意图。（消息来源：Energy & Environmental Science DOI: 10.1039/D5EE04111B）
近年来，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）取得了显著发展，其功率转换效率（PCE）已超过26%，这归功于结构优化和体相/界面调控。然而，在PSCs的长期稳定性测试中，难免会产生大量的体相和表面缺陷，这显著影响倒置型PSCs的性能。同时，缺陷态的密度会在光照和高温条件下恶化PSCs的操作稳定性，因为离子迁移加剧直接阻碍了其商业化进程。特别是在顶部表面，诸如间隙原子、空位和反位缺陷等会驱动有害的离子迁移。受肖特基无序热力学支配，未配位离子的形成会触发补偿性反离子的生成，以维护晶格电中性。考虑到未配位的Pb2+由于形成能较低而容易形成，从钙钛矿薄膜中向外迁移的卤素离子可能渗入载流层和电极，引发界面化学反应。因此，通过钝化界面缺陷和抑制界面离子迁移来提升钙钛矿与电子传输层之间的界面质量至关重要。
通常，功能分子被引入钙钛矿薄膜的上表面作为钝化剂。已有大量报道涉及具有π-π堆积作用的含氮杂环分子，或路易斯酸和碱。尽管单分子多功能调控引起了广泛关注，但在稳定性提升和界面化学机理理解方面仍存在不足。因此，对阳离子和阴离子位点复杂化学环境的调控迫切需要合理设计的钝化分子。
光伏表征DCI改性器件。（a）示意结构图及横截面SEM图。（b）最佳对照器件和DCI器件的正向和反向J-V扫描曲线。（c）最佳效率对照器件和DCI器件的EQE光谱及积分Jsc曲线。（d）和（e）对照器件和DCI器件的Voc和PCE统计箱图。（f）对照器件和DCI器件的光强度与Voc关系图。（g）TPC和（h）TPV衰减曲线对照器件和DCI器件。
在此，本研究整合了协同阳离子-阴离子调控的概念，设计了一种热稳定的 4,5-二氰基咪唑（DCI）分子。因此，我们提出了一种双界面钝化策略，用于钝化离子缺陷：高电负性的氰基与未配位的 Pb²⁺ 配位，而咪唑上的氨基与 I⁻ 形成氢键，从而减少非辐射复合，优化能级匹配并抑制离子迁移。受益于 DCI，PSCs实现了令人印象深刻的 26.10% 的光电转换效率（PCE），经认证的 PCE 为 25.53%。同时，未封装的 PSCs表现出显著增强的操作和热稳定性，在连续光照下的最大功率点跟踪测试中，1,600 小时后仍保持超过 95% 的初始 PCE，在 12 次光-暗循环测试后几乎无性能下降，并且在 85 ℃氮气环境下 2,000 小时后仍保持初始 PCE 的 98.2%。
总之，我们引入了DCI分子，以有效调节钙钛矿表面的阳离子-阴离子位点，从而减少非辐射复合并抑制离子迁移。因此，DCI改性的器件实现了25.53%的认证光电转换效率。此外，DCI处理的器件表现出卓越的环境和操作稳定性，凸显了其应用前景。未封装的器件在1,600小时的1太阳模拟光照下仍保持超过95%的初始效率，并且在12次12小时光照与12小时黑暗的循环测试后，初始效率无性能损失。本研究表明，这种具有双功能缺陷钝化能力的小分子在钙钛矿光伏和电子器件中具有应用潜力。
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