研 究 背 景

无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池（HTL-free C‑PSCs）兼具低成本和高稳定性优势，是推动钙钛矿光伏产业化的有力候选。然而，钙钛矿/碳电极界面存在大量缺陷和严重的能级失配，导致严重的非辐射复合损失，器件效率长期在18%左右徘徊。而在高铯含量（Cs⁺）宽带隙钙钛矿体系中，由于Cs⁺与[PbI₆]^4-骨架过强的结合力，传统的低维钙钛矿（2D/1D）难以在表面原位构建，界面工程尤为困难。

成 果 介 绍

韶关学院李灵聪、罗建民；华南农业大学蔡位子、潘振晓系统研究了碳链长度对季铵盐在富Cs宽带隙钙钛矿太阳能电池表面构建1D/3D异质结的作用机理，显著钝化界面缺陷，优化能级排列，成功将无空穴传输层碳基宽带隙钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升至20%以上。该成果以“1D/3D heterojunction for high-efficiency hole transport layer-free carbon-based wide-bandgap perovskite solar cells”为题发表在Carbon Energy上。

研 究 亮 点

1.系统筛选了不同烷基链长的季铵盐（TEABr、TPABr、TBABr），发现四丙基溴化铵（TPABr）具有适中的链长和最强的表面结合能力，能诱导生成纯1D TPAPb₂I₅相。

2.在高Cs含量宽带隙钙钛矿表面成功构建稳定的1D/3D异质结，解决了传统低维结构难以形成的难题。

3.1D/3D异质结形成Type‑I型能带排列，有效钝化表面缺陷、抑制电子回传、降低界面非辐射复合，将C-PSCs的效率推至20.14%（同类器件最高纪录），同时显著提升器件稳定性。

图 文 解 析

图1：(A-C)三种不同碳链长度的季铵盐结构示意图；(D-F)季铵盐处理钙钛矿表面后的XRD图谱；(G-I)对应XRD图谱的低角度局部特写。结果证实TPABr具有良好的离子交换能力，能与钙钛矿表面反应生成稳定的低维钙钛矿产物。

图2：(A)TPABr处理PbI₂薄膜后的XRD图谱；(B)TPABr与PbI₂不同摩尔比反应产物的XRD图谱；(C)TPAI与PbI₂不同摩尔比反应产物的XRD图谱；(D)单晶XRD解析的TPAPb₂I₅晶体结构；(E)理论计算模型（季铵阳离子取代表面Cs⁺）；（F）电子局域化函数（ELF）图；(G)季铵阳离子与钙钛矿表面的结合能。结果表明TPABr与PbI₂以1:2摩尔比生成1D TPAPb₂I₅相。TPA⁺在多种表面状态下均表现出最高的结合能，证明其具有最佳离子交换能力。

图3：(A)不同处理后钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS谱；(B)Br 3d XPS谱；(C)TPABr处理薄膜的ToF-SIMS深度剖面；(D)UV-Vis吸收光谱；(E)稳态PL光谱；(F)时间分辨PL（TRPL）衰减曲线；(G,H)空间分辨PL mapping；(I)SCLC电流电压特性曲线（纯电子器件）。TPABr处理能有效钝化表面缺陷，Pb 4f峰向低结合能移动，PL强度显著增强，载流子寿命从55.19 ns延长至127.41 ns，缺陷密度从4.17×10¹⁵降至2.30×10¹⁵ cm^-3。

图4：(A,B)对照薄膜与目标薄膜的SEM图像；(C,D)对照薄膜与目标薄膜的AFM图像；(E)1D/3D钙钛矿异质结结构示意图；(F)对照与目标薄膜的UPS谱图；(G)异质结能级排列图；(H,I)对照与目标薄膜的KPFM图像。TPABr处理后钙钛矿表面晶粒尺寸增大、粗糙度降低，且在界面处形成了Type-I型能级排列，有效阻挡电子向碳电极回传，抑制界面载流子复合。

图5：(A)目标器件的横截面SEM图像；(B)最佳器件的J-V曲线；(C)EQE光谱；(D)器件PCE统计分布；(E)稳态功率输出(SPO)；(F)器件在环境空气中（~25% RH）的长期稳定性；(G)器件的85℃热老化稳定性；(H)最大功率点（MPP）追踪。1D/3D异质结策略显著提升了器件性能，最佳C-PSCs器件效率可达20.14%（同类最高），在多种条件下均展现出卓越的稳定性。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

1D/3D heterojunction for high-efficiency hole transport layer-free carbon-based wide-bandgap perovskite solar cells

文章研究方向：

电池— —太阳能电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70227

DOI: 10.1002/cey2.70227

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长，原温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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