《Energy & Environmental Science》和
《Advanced Materials》
刊发我院层状材料与器件团队陈聪教授
及合作者在高效光伏电池方面研究成果
近日，国际高水平期刊《Energy & Environmental Science》和《Advanced Materials》连续在线刊登了我院层状材料与器件团队陈聪教授及合作者在钙钛矿光伏电池方面取得的重要研究成果。题目分别是Dual-site passivation by heterocycle functionalized amidinium cations toward high-performance inverted perovskite solar cells and modules（Energy Environ. Sci. 2025, 10.1039/D5EE00524H）和Functional Group Engineering Stabilizing Precursor Solution and Passivating Defects for Operationally Stable and Highly Reproducible Inverted Perovskite Solar Cells（Adv. Mater. 2025, 2502729）。我校为该论文的第一完成单位和通讯单位。
研究工作1：杂环功能化脒基阳离子双位点钝化制备高性能反式钙钛矿太阳能电池与组件
目前钙钛矿电池虽已实现超26%的效率，但仍低于理论极限，主要受限于薄膜中的界面缺陷和非辐射复合。晶体结构中的缺陷会形成陷阱态，降低器件性能。为此，研究者正通过组分工程和界面工程优化材料与结构，尽管已有进展，但实现其商业化仍需深入攻克材料缺陷与界面调控等核心问题。
针对界面缺陷及其引发的非辐射复合问题，研究提出利用杂环功能化的脒基阳离子实现对阴阳离子缺陷的双位钝化，从而稳定钙钛矿与电子传输层界面，并显著降低非辐射复合损失。该方法通过精确调控两个锚定位的间距和构型，使脒基阳离子有效固定在钙钛矿表面。研究表明，4-脒基吡啶氯化物（APCl）处理后未形成二维钝化层，但通过合适的锚定结构增强了缺陷钝化和界面载流子传输，器件效率提升至26.83%（稳态效率为26.32%）。
本工作系统研究了不同脒基阳离子钝化效果的影响。提出了基于分子取向和空间位阻协同调控实现最优钝化的设计思路。通过真空闪蒸技术条件下，研究人员在室温环境中成功实现了钙钛矿电池26.83%的PCE。未来，该研究成果在高效稳定太阳能电池的工业化应用中具有广阔的前景，并为界面工程提供了新的理论和技术支持，有望进一步推动钙钛矿光伏器件的性能优化和大规模生产。
论文的第一作者为我院材料科学与工程专业2023硕士研究生卢孟涵同学。
论文1在线链接：Energy Environ. Sci., 2025 https://doi.org/10.1039/D5EE00524H
图1不同脒基阳离子与钙钛矿相互作用的理论研究及脒基钝化剂对钙钛矿太阳能电池性能和特性的影响。
研究工作2：通过功能基团协同工程提升钙钛矿前驱体溶液稳定性和器件可重复性
研究背景：钙钛矿太阳能电池可通过溶液加工方法在室温下进行制备，相较于硅基电池的高温拉晶制造过程，大大降低了生产成本，同时也增加了其对柔性可穿戴电子器件的适用性。然而，钙钛矿前驱体溶液的稳定性一直是阻碍钙钛矿光伏器件长期稳定性的关键因素。钙钛矿前驱体溶液中有机阳离子（如MA+、FA+）的去质子化与碘离子（I-）的氧化，不仅会导致前驱体溶液的降解，还会导致钙钛矿薄膜中缺陷的产生，从而影响器件性能。之前的研究（Angew. Chem. Int. Ed, 2022, 61, e202206914）揭示了有机功能基团的协同作用可以同时抑制I-的氧化和有机阳离子的去质子化。然而，功能基团的空间构象和功能基团的类型如何影响钙钛矿前驱体溶液的稳定性，仍未被揭示。
针对钙钛矿前驱体溶液在存储和制备过程中容易发生降解和不稳定性问题，团队成员通过精确设计和调控有机分子中的功能基团（如羧基和磺酸基）的类型及其在分子中的空间位置，探究了不同分子对前驱体溶液稳定性的影响。研究结果表明，4-肼基苯磺酸（4-HBSA）作为一种具有较低酸解离常数（pKa）值（4.76）的功能分子，能够有效抑制有机阳离子的去质子化，并且能协同防止碘离子的氧化反应。该研究的核心创新点在于，利用有机分子中的功能基团及其空间构象来调节溶液的酸碱特性和钙钛矿薄膜的缺陷态，从而提升器件的光电性能。具体而言，4-HBSA通过其强酸性基团（磺酸基）稳定了前驱体溶液，并在钙钛矿薄膜中有效钝化了晶界缺陷，从而显著提升了载流子的迁移率，减少了非辐射复合损失。这一作用机制直接推动了钙钛矿光伏器件效率的提高，最终使得在空气环境下制备的经4-HBSA修饰的反式钙钛矿电池达到了26.79%的PCE。此研究提出了一种新型的前驱体溶液调控方法，能够有效延长溶液的使用寿命并改善器件的可重复性，为钙钛矿光伏技术的规模化生产和商业化应用铺平了道路。尤其是在当前钙钛矿太阳能电池面临的高效性与长期稳定性之间的平衡挑战，功能基团协同工程为解决这一问题提供了一种简便有效的技术路线。
论文的第一作者为我院2022级博士研究生李梦佳同学。（Adv. Mater., 2025, 2502729）
图2 基于功能基团协同工程调控提升钙钛矿前驱体溶液稳定性和
器件可重复性
论文2在线链接：https://doi.org/10.1002/adma.202502729
团队介绍：
层状材料与器件团队负责人为郑士建教授。团队现有科研人员22人，其中教授4人，副教授10人，讲师2人，师资博士后6人。团队曾获首批“河北省高校黄大年式教师团队”等荣誉。
团队研究方向介绍：
层状材料与器件团队致力于材料的层状复合以及器件的层状构筑研究。团队借助球差校正透射电子显微镜等尖端设备和机器学习等先进方法，在原子尺度下揭示界面结构与性能间的构效关系，建立变革性的层状材料及器件设计理论，攻克材料与器件应用技术难题，引领相关领域的基础和应用研究。主要研究对象包含层状复合高强韧金属结构材料、二次离子电池、太阳能电池、燃料电池等，主要服务于新材料和新能源领域。
研究成果通讯作者简介：
陈聪，教授，博导。研究方向为光伏与光电子集成器件。目前以项目负责人承担国家自然科学基金（面上、青年）、河北省自然科学基金（概念验证、重点）等项目十余项，作为课题负责人承担国家自然科学基金区域联合基金重点项目。曾获河北工业大学首届“我心目中的十佳好导师”等。
图文：层状材料与器件团队
审核：夏兴川
