氟化苯甲脒衍生物调控3D/2D钙钛矿异质结实现高效稳定倒置太阳能电池

研究人员针对倒置钙钛矿太阳能电池(p-i-n PSCs)界面复合严重的问题，通过对比4F-BA和4TF-BA两种氟化苯甲脒衍生物，发现4F-BA能形成结晶性2D钝化层，使器件效率突破25%，FF达84.5%，并显著提升湿热稳定性。该研究揭示了分子内电荷平衡对NH3+···I氢键形成的关键作用，为设计高性能3D/2D异质结提供了新思路。

　　

钙钛矿太阳能电池作为光伏领域的新星，其溶液加工特性和27%的认证效率已媲美商用硅电池。然而在倒置(p-i-n)结构中，界面复合和稳定性问题仍是制约其发展的瓶颈。传统铵基分子钝化存在两大路径：形成明确二维(2D)钙钛矿覆盖层或非晶钝化层，但何种分子特性决定这两种路径尚不明确。更令人困惑的是，某些含三氟甲基(-CF₃)的配体无法形成2D相，而类似结构的单氟取代配体却表现优异。

针对这一科学谜题，Xiaojian Zheng、Shehzad Ahmed和Yu Zhang等研究者设计了一项精巧的实验。他们选取4-(三氟甲基)苯甲脒(4TF-BA)和4-氟苯甲脒(4F-BA)这对"分子双胞胎"，通过系统比较其与三维(3D)钙钛矿的相互作用机制，揭示了分子内电荷分布对2D相形成的调控规律。研究发现，4F-BA凭借适度的吸电子效应，在NH₃⁺基团维持-0.51 e的 L?wdin电荷，促成稳定的NH₃⁺···I氢键网络，最终形成结晶性n型2D覆盖层；而强吸电子的-CF₃使4TF-BA的NH₃⁺电荷失衡(-0.49 e)，导致生成非晶钝化层。这一发现发表在《Nano-Micro Letters》上，为精准设计界面钝化分子提供了理论框架。

研究采用多种关键技术：通过GIWAXS和XRD表征2D相结晶性；利用AFM-KPFM联用技术测量表面电势；结合COHP理论计算分析分子轨道相互作用；采用SCLC方法量化陷阱密度；通过AIMD模拟评估300K下界面稳定性；并建立非封装器件在65°C/30-40%RH条件下的老化测试体系。

研究结果部分，首先在"分子设计与界面相互作用"部分，理论计算显示4F-BA的ICOHP值(-1.871 eV)显著高于4TF-BA(-1.720 eV)，其LUMO轨道定域在NH₂⁺位点，有利于与PbI₆八面体定向耦合。

GIWAXS图像清晰显示4F-BA处理组出现强衍射环(7.18°)，证实了2D相的形成。

在"光电特性调控"部分，UPS测试表明4F-BA使钙钛矿功函数从4.71 eV降至4.68 eV，形成n型界面促进电子提取。

XPS显示4F-BA组Pb 4f_7/2峰半峰宽最小(0.863 eV)，证实其钝化效果最佳。

在"器件性能与稳定性"部分，

4F-BA器件获得25.02%的冠军效率(FF=84.5%)，其suns-V_OC斜率仅1.52k_BT/q，表明非辐射复合显著抑制。老化测试中，4F-BA器件在湿热环境下保持90.2%初始效率，远超对照组(65%)。

该研究首次阐明分子内电荷极化平衡是决定2D钙钛矿形成的关键因素：4F-BA通过适度氟化实现电荷平衡，其NH₃⁺···I键能(-2.181 eV)比4TF-BA(-1.724 eV)更强，促成结晶性n型界面层。这种设计使倒置器件同时获得>25%效率和>90%湿热稳定性，突破了传统钝化策略中效率与稳定性难以兼得的困境。研究提出的"分子内电荷工程"理念，为新型界面材料的理性设计提供了普适性指导原则。