信息来源：中国人民大学化学与生命资源学院 发布日期：2025年09月23日

钙钛矿太阳能电池作为新型光伏器件，凭借一系列卓越特性展现出巨大发展潜力。其对缺陷容忍度高、载流子扩散长度长，具备可调控的带隙结构，同时拥有较低的激子束缚能与较高的光吸收系数。依托上述优势，其能量转换效率在十余年内实现了从 3.81% 到超过27%的跨越式提升，不仅可与发展四十余年的硅基太阳能电池相媲美，更在第三代太阳能电池发展中处于领先地位。鉴于钙钛矿太阳能电池的广阔前景，科学技术部与国家能源局联合发布的《“十四五” 能源领域科技创新规划》中，明确提出要大力推进钙钛矿太阳能电池等新能源技术发展，为实现 “碳达峰、碳中和” 双碳目标提供助力，这为该技术的持续突破注入了强劲动力。然而，钙钛矿太阳能电池的产业化进程仍面临关键挑战：钙钛矿材料自身的固有缺陷、制备工艺的局限性，以及高温、光照、水氧等复杂环境因素，均会导致器件内部缺陷生成、加速材料老化，进而引发相分离与离子迁移问题，其中长期工作稳定性更是亟待突破的核心瓶颈。

中国人民大学化学与生命资源学院慕成教授团队，长期深耕第三代光伏技术基础研究，聚焦钙钛矿太阳能电池界面缺陷及结晶动力学等关键科学问题，围绕电荷传输层/钙钛矿层界面以及钙钛矿薄膜的结晶生长过程展开深入探索。在中国人民大学、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委等机构的持续资助下，开发了钙钛矿前驱体修饰电荷传输层工艺，通过预埋钙钛矿晶核助力高质量钙钛矿薄膜生长（Adv. Sci. 2021, 8, 2102845）；提出钙钛矿前驱体溶液调控方案，有效提升钙钛矿薄膜稳定性（Adv. Energy. Mater. 2017, 7, 1601297；J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 4598）；建立钙钛矿上界面重结晶方案，显著降低上界面缺陷浓度（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1805810）。

图1 功能分子双极钝化机制

在 n-i-p 型钙钛矿太阳能电池中，埋底界面缺陷富集是制约器件性能的重要问题，而功能分子钝化策略被证实可有效改善这一现状。在此背景下，深入探究钝化分子的取向特征，对设计并应用含双重乃至多个官能团的高效钝化策略，具有不可或缺的理论与实践意义。近日，慕成教授课题组在前期研究基础上，与福建农林大学林智超副教授展开合作，首次证实含双官能团的钝化分子在能量层面具有显著倾向性——能够与 SnO2电子传输层表面形成稳定的双锚定结构。该结构可大幅增强界面相互作用强度，进而显著提升界面缺陷钝化效率，为钝化策略的创新设计提供了全新的机制支撑。

图2 埋底界面能级调控机制与元素分布

该研究工作针对电子传输层/钙钛矿层界面缺陷问题，系统选取了三种含不同吸电子基团的功能分子进行研究，分别为三氟乙酸钠（NaTFA）、三氟甲基亚磺酸钠（NaTTSA）和三氟甲基磺酸钠（NaTSA）。研究发现一个此前未被报道的关键现象：这三种分子均表现出双重锚定行为，即同时通过头部官能团（乙酸基、亚磺酸基、磺酸基）与尾部官能团（三氟甲基基团）结合到 SnO2电子传输层表面。系统研究表明，NaTSA 分子中的磺酸基（-SO3−）展现出最强的界面结合亲和力与最优的缺陷钝化效果，其性能显著优于 NaTTSA 中的亚磺酸基（-SO2−）及 NaTFA 中的羧基（-CO2−）。这一优异性能的核心原因在于-SO3−更强的吸电子特性：一方面可有效抑制界面陷阱态的形成，另一方面能显著促进电荷的高效输运，实现“钝化-传输”的协同优化。经分子修饰后，界面内建电场强度降低、费米能级差缩小，直接导致界面势垒高度下降。这一变化不仅为钙钛矿层光生电子向电子传输层的高效提取与转移创造了有利条件，还能有效抑制界面离子迁移行为，减少界面电荷积累，从“电荷输运”与“界面稳定性”两个关键维度同步提升器件性能。通过优化，所制备器件的能量转换效率达到 25.60%，稳定性也实现显著提升。该研究成果为钝化分子设计中官能团的合理筛选，以及钝化机制的深入理解提供了极具价值的参考，对推动钙钛矿太阳能电池性能进一步突破具有重要意义。

图3 钙钛矿薄膜生长机制与器件性能

该研究工作的第一作者为中国人民大学化学与生命资源学院博士生许湘宁。