《Small Structures》：Interfacing 2D Perovskite Featuring Face-Sharing Octahedra with 3D Perovskite for Stable Photovoltaics
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本研究通過設計新型有機陽離子2-苯氧基乙銨（POEA），成功構筑了一種兼具二維（2D）鈣鈦礦角共享（corner-sharing）與一維（1D）鈣鈦礦面共享（face-sharing）特征的低維（LD）鈣鈦礦結構，并與三維（3D）鈣鈦礦形成異質界面。該獨特的POEA基界面可同時優化薄膜質量、促進載流子傳輸、增強相穩定性并提升表面熱導率，最終使1.53 eV帶隙的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）實現了26.4%的冠軍光電轉換效率（PCE）和優異的工作穩定性。本研究為高性能、高穩定性鈣鈦礦光電器件的界面工程提供了新思路。
鈣鈦礦太陽能電池的穩定與效率難題
鈣鈦礦太陽能電池（PSC）作為一種光電轉換效率（PCE）已超過27%的新型光伏技術，近年來備受關注。然而，其長期穩定性問題仍是阻礙商業化的主要挑戰。構建低維（LD）與三維（3D）鈣鈦礦的異質界面已成為一種常見策略，旨在通過鈍化晶界缺陷和形成保護性覆蓋層來共同提升器件性能和穩定性。盡管目前已有利用一維（1D）和零維（0D）鈣鈦礦與3D鈣鈦礦構建界面的研究，但二維（2D）鈣鈦礦仍是研究最廣泛的類別，其無機框架幾乎完全由角共享（corner-sharing）的八面體構成。然而，具有不同結構特征（例如，具有一維鈣鈦礦典型特征的面共享（face-sharing）八面體）的2D鈣鈦礦，卻鮮有被報道用于與3D鈣鈦礦集成以提升器件性能。
新型有機陽離子與獨特低維結構設計
本研究巧妙地選用了三種有機陽離子：苯乙銨（PEA）、苯丙銨（PPA）和2-苯氧基乙銨（POEA），在倒置結構鈣鈦礦太陽能電池中構筑了LD/3D界面。這三種陽離子具有相同的苯環尾基，但能分別誘導形成2D和1D結構。其中，PEA形成典型的Ruddlesden-Popper（RP）相2D鈣鈦礦(PEA)2PbI4，其無機層內所有八面體通過角共享方式連接成二維平面。PPA則傾向于形成1D鈣鈦礦結構(PPA)5Pb2I9，其無機骨架僅沿一個方向延伸。
而POEA的引入則形成了獨特的(POEA)3Pb2I7結構，其無機框架中同時包含了作為1D鈣鈦礦典型片段的三重面共享八面體，以及與相鄰亞單元通過角共享連接的單個八面體（2D鈣鈦礦的特征）。這種“角共享+面共享”的混合結構，使其同時具備了2D和1D鈣鈦礦的結構特點。
界面性質與薄膜質量優化
單晶結構分析揭示了不同陽離子與無機Pb-I骨架的相互作用模式。在(PEA)2PbI4和(PPA)5Pb2I9中，-NH3+頭部基團與主體無機框架的結合模式類似。而在(POEA)3Pb2I7中，每個無機回路容納兩個陽離子，其-NH3+基團中的氫鍵網絡分布更為分散。
掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，與PEA基和PPA基薄膜相比，POEA基薄膜具有顯著更大的晶粒尺寸，表明其薄膜質量更優。開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量進一步表明，POEA基薄膜表現出最均勻的表面電位和最低的電壓信號分布，這有利于與上層電子傳輸層實現更佳的費米能級對齊，從而促進高效的載流子傳輸。
卓越的相穩定性與熱管理能力
相穩定性是影響器件長期運行可靠性的關鍵因素。研究發現，經過120°C、72小時的熱老化后，PEA基薄膜在523 nm和575 nm處出現了新的光致發光（PL）峰，分別對應于純2D相（n=1）和準2D相（n=2）的形成，表明其在熱應力下發生了相變。相反，POEA基薄膜在老化前后，其主PL峰（約800 nm）幾乎無變化，且未檢測到低維相的形成，顯示出優異的相穩定性。
這種穩定性歸因于POEA基LD相獨特的、同時包含面共享和角共享八面體的框架，其提供了更穩固的八面體骨架，并降低了摻入小陽離子（如MA+或FA+）形成準2D相的傾向。
此外，工作過程中焦耳熱的產生和積累是影響PSCs長期穩定性的關鍵內在問題。掃描熱顯微鏡（SThM）測量顯示，POEA基樣品的表面熱導率顯著高于PEA基和PPA基樣品。更重要的是，POEA基樣品在晶界區域和晶粒內部區域之間的熱導率分布更為均勻，晶界熱導率的提升有助于整體平均熱導率的提高，從而減少器件頂界面處的熱量積聚，提升穩定性。
優異的光伏性能與器件穩定性
基于上述優化的界面特性，研究人員制備了不同帶隙的倒置結構鈣鈦礦太陽能電池。對于1.67 eV的寬禁帶器件，POEA基器件實現了21.14%的冠軍PCE。對于更主流的1.53 eV帶隙器件，POEA基器件更是取得了26.39%的冠軍PCE（開路電壓VOC為1.18 V，短路電流密度JSC為26.42 mA cm-2，填充因子FF為84.67%），其JSC略高于PEA基器件（26.30%），這與其減少的非輻射復合和更優的載流子傳輸特性相符。
穩定性測試結果更為顯著。在室溫、45%相對濕度（RH）的空氣環境中儲存500小時后，準2D結構的(POEA)2(FA0.8MA0.2)4Pb5I16器件保持了超過95%的初始平均PCE。即使在65°C加熱、相同濕度的嚴苛條件下處理500小時，其仍能保持超過84%的初始效率。而相同條件下，PEA基器件的效率則急劇下降至初始值的25%以下。在最大功率點跟蹤（MPPT）測試中，1.53 eV帶隙的POEA基器件在55°C、連續1個太陽光照下運行180小時后，仍能保持超過99%的初始PCE，顯著優于PEA基器件（約96%）。這些結果共同證實了基于POEA的、兼具角共享和面共享八面體的LD/3D界面，在提升器件效率和長期穩定性方面具有顯著優勢。
總結與展望
本研究成功設計并構建了一種基于POEA陽離子、具有面共享八面體架構的新型二維鈣鈦礦，并將其用于構筑LD/3D異質界面。與僅含角共享八面體的傳統2D或1D鈣鈦礦界面相比，這種混合結構界面展現出更高效的電子能級對齊、更高的結晶質量、增強的表面熱導率以及優異的結構相穩定性。最終，基于此界面的鈣鈦礦太陽能電池在1.53 eV帶隙下實現了26.39%的光電轉換效率，并表現出卓越的工作穩定性。這項工作為通過精確設計低維鈣鈦礦的晶體結構來同步優化鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩定性提供了新的視角和有效的材料平臺。
