钙钛矿是一类具有 ABX₃晶体结构的半导体材料，其中 A 为有机或无机阳离子（如甲脒、铯），B 为金属阳离子（如铅、锡），X 为卤素阴离子（如碘、溴）。其带隙可通过组分调控（1.2–3.0 eV），适用于单结及多结太阳能电池。
近年通过水溶液合成高纯度前驱体、动态钝化、氨基酸盐双功能修饰等策略，显著降低缺陷密度，提升载流子扩散长度，单结效率突破 25%，全钙钛矿叠层电池效率达 29.7%，且稳定性显著提升（如 1000 小时光照后保持 94% 效率），展现出超越传统硅基器件的潜力，成为下一代高效光伏的核心方向。
该研究聚焦于全钙钛矿多结太阳能电池中窄带隙（NBG）锡铅（Sn–Pb）钙钛矿的前驱体溶液化学调控，开发了氨基酸盐（如苯丙氨酸盐酸盐 PhA）作为双功能添加剂策略。
通过在前驱体溶液中引入同时含有铵基和羧基的氨基酸盐，实现了对 Sn²⁺配位环境的优化和胶体稳定性的提升。
实验表明，该策略显著抑制了 Sn²⁺氧化，改善了钙钛矿薄膜的结晶质量和缺陷钝化效果，使单结 Sn–Pb 钙钛矿电池效率达 23.9%，双结、三结和四结电池效率分别达到 29.7%（认证 29.26%）、28.7% 和 27.9%。
其中 1 cm² 三结器件效率为 28.4%（认证 27.28%），封装器件在环境条件下经 860 小时最大功率点跟踪后仍保持 80% 初始效率。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08546-y
利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟，系统研究了氨基酸盐与 Sn–Pb 钙钛矿前驱体的相互作用机制。
计算发现，PhA 的羧基（–COOH）与 Sn²⁺形成强配位键（结合能−21.79 eV），铵基（–NH₃⁺）通过氢键与碘离子结合，稳定前驱体溶液中的胶体粒子，延缓结晶动力学，促进均匀成膜。
DFT 计算显示，PhA 对碘空位的钝化能达−1.60 eV 和−1.74 eV，并能通过双缺陷协同钝化机制进一步降低缺陷形成能（−2.27 至−2.80 eV）。
此外，静电势分析表明，PhA 使 Sn 中心电子密度降低，抑制 Sn²⁺氧化，与实验中观察到的陷阱密度降低和载流子寿命延长一致，为多结电池的高效稳定提供了理论支撑。
该研究聚焦于全钙钛矿叠层太阳能电池效率提升难题，针对铅锡（Pb–Sn）钙钛矿窄带隙子电池因载流子扩散长度短、难以制备厚吸收层导致光电流密度不足的问题，开发了一种基于 4 – 三氟甲基苯铵（CF3-PA）的表面钝化策略。
通过在钙钛矿前驱体溶液中引入 0.3 mol% 的 CF3-PA，成功将 Pb–Sn 钙钛矿的载流子扩散长度从约 2.5 μm 提升至 5 μm 以上，使厚度达 1.2 μm 的窄带隙子电池效率突破 22%。
基于此，构建了由宽带隙（~1.8 eV）溴碘混合钙钛矿和窄带隙（~1.2 eV）Pb–Sn 钙钛矿组成的全叠层器件，经独立认证的光电转换效率（PCE）达 26.4%，超过了单结钙钛矿电池的最高效率（25.5%）。
此外，封装后的器件在环境条件下持续工作 600 小时后，仍能保持初始性能的 90% 以上，展现了良好的稳定性。
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04372-8
该研究利用密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学模拟，系统研究了三种芳香族铵阳离子（苯乙铵 PEA、苯铵 PA、三氟甲基苯铵 CF3-PA）与 Pb–Sn 钙钛矿表面的相互作用机制。
计算结果表明，CF3-PA 的三氟甲基基团通过强吸电子效应，使铵根（NH3+）端的静电势（φmax）显著高于 PEA 和 PA，增强了与钙钛矿表面带负电缺陷（如 FA 空位、Sn 空位）的离子键和氢键作用。
分子动力学模拟显示，在 400 K 的结晶温度下，CF3-PA 能完全吸附于钙钛矿表面，而 PEA 和 PA 存在部分脱附现象，且 CF3-PA 可抑制碘离子脱附及碘空位形成。
结合能计算进一步证实，CF3-PA 与受体型缺陷的结合能最高，能有效消除由碘反位缺陷引起的深能级态，同时提高 Sn 空位的形成能，减少缺陷浓度，为实验中扩散长度和器件效率的提升提供了理论依据。
该研究开发了一种基于受阻脲 / 硫代氨基甲酸酯键（HUBLA）的动态钝化策略，通过水和热激活的动态共价键（DCB）实现钙钛矿缺陷的实时修复。
HUBLA 分子包含受阻脲键（HUB）和硫代氨基甲酸酯键（TCB），在湿度或加热条件下可解离产生新的钝化剂（如氨基和巯基化合物），动态修复钙钛矿在环境应力下产生的缺陷（如碘空位、铅离子不饱和配位）。
实验表明，该策略使钙钛矿太阳能电池效率达到 25.1%，封装器件在 85°C、30% 相对湿度空气中运行 1000 小时后保持 88% 初始效率，在氮气环境下 1500 小时后仍保留 94% 效率，显著提升了器件的长期稳定性。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07705-5
利用密度泛函理论（DFT）模拟了 HUBLA 与钙钛矿表面的相互作用机制。计算表明，HUBLA 的氨基（-NH-）和巯基（-SH）能与钙钛矿表面的铅离子（Pb²⁺）形成强配位键，有效降低缺陷态密度。
水激活下，HUBLA 水解产生的 tBEDA 和 NH-AS 通过氢键和离子键填充晶格空位，抑制 Sn²⁺氧化；热激活时，TCB 解离生成的巯基化合物作为氧化还原 shuttle，循环还原碘单质（I₂）并氧化铅单质（Pb⁰），阻止钙钛矿分解。
DFT 计算还揭示了 HUBLA 分子间动态共价键的可逆解离 – 重组特性，其吸附能（Eads）低于传统钝化剂，确保了在环境应力下的持续钝化能力，为动态修复机制提供了理论支撑。
该研究针对全钙钛矿叠层太阳能电池中铅锡（Sn–Pb）窄带隙子电池效率和稳定性不足的问题，开发了天冬氨酸盐酸盐（AspCl）的 “一体化掺杂策略”。
通过在底部 PEDOT:PSS 层、钙钛矿主体层及表面后处理中引入 AspCl，实现了多重功能：其氯离子（Cl⁻）抑制碘空位形成，氨基（-NH₂）与碘离子配位减少陷阱态，羧基（-COOH）与 Sn/Pb 离子结合稳定钙钛矿结构，同时 AspCl 分子间通过氢键形成 “分子锁”增强界面结合力。
该策略使单结 Sn–Pb 钙钛矿电池效率提升至 22.46%，全叠层电池经认证效率达 27.34%，且封装器件在氮气环境中储存 2000 小时后仍保持初始性能的 95%。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z
利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟，系统研究了 AspCl 与 Sn–Pb 钙钛矿的相互作用机制。
计算表明，AspCl 与 SnI₂/PbI₂的结合能低于传统甲脒碘（FAI），更易形成稳定复合物，从而抑制 Sn²⁺氧化为 Sn⁴⁺。分子间氢键作用（AspCl–AspCl）的结合能低于 AspCl 与 FAI 的作用，表明 AspCl 倾向于自身交联形成网状结构，增强钙钛矿薄膜的结构稳定性。
此外，AspCl 在钙钛矿、C60 和 PEDOT:PSS 表面的吸附取向显示其平行于各界面，通过离子键和氢键实现高效缺陷钝化，为实验中载流子寿命延长和界面电荷传输优化提供了理论依据。
该研究开发了一种水溶液合成法制备高纯度钙钛矿微晶体（ASPM）的方法，以解决传统前驱体中杂质导致的缺陷问题。
通过在氢碘酸（HI）水溶液中调控 pH 值，实现了甲脒碘化铅（FAPbI₃）微晶体的大规模合成，纯度高达 99.994±0.0015%，成本仅为商用试剂的 1%。实验表明，该方法显著去除了钙（Ca²⁺）、钠（Na⁺）、钾（K⁺）等杂质，减少了钙钛矿薄膜中的陷阱态密度，延长了载流子扩散长度。
基于 ASPM 前驱体制备的倒置钙钛矿太阳能电池（p-i-n 结构）效率达 25.6%（认证 25.3%），在氮气环境下连续光照 1000 小时后仍保持 94% 初始效率，稳定性显著提升。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7081
利用密度泛函理论（DFT）计算分析了杂质离子（如 Ca²⁺）对钙钛矿晶格稳定性的影响。结果表明，Ca²⁺在 A 位或 B 位取代时的失稳能最低（
通过构建不同尺寸的超晶胞模型（1×1×1 至 3×3×3），发现即使低浓度杂质也会导致晶格不稳定，影响载流子传输。
进一步计算证实，ASPM 前驱体通过去除 Ca²⁺等杂质，使陷阱态密度从 5.57×10¹⁵ cm⁻³ 降至 2.84×10¹⁵ cm⁻³，浅陷阱（Band I）强度降低 10 倍，验证了杂质去除对提升载流子寿命和器件性能的关键作用。
理论模拟与实验结果一致，揭示了高纯度前驱体抑制缺陷、增强稳定性的机制。
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
