12月11日，《焦耳》（Joule）在线报道了华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜、刘宗豪团队题为 Crosslinker-stabilized quasi-two-dimensional perovskite for solar modules with certified stability 的研究论文。

大面积钙钛矿太阳能模组（PSMs）的稳定性是其商业化进程中面临的主要挑战。常用有机-无机杂化三维（3D）钙钛矿活性层在光、热和偏置电压等应力刺激下稳定性不足。与之相比，2D Ruddlesden-Popper（RP）钙钛矿对环境条件（湿度、氧）敏感度较低，表现出更优的光、热、化学稳定性。然而，2D钙钛矿层之间的范德华间隙会导致钙钛矿薄膜中能量转移效率低，限制器件的光伏性能。因此，减小2D RP型钙钛矿层范德华间隙，增强相邻间隔层之间的相互作用，对于提高准2D钙钛矿器件的效率和稳定性至关重要。

一般制备的准2D钙钛矿是包含随机量子阱（n数）分布的多量子阱相混合物。这种随机多相分布方式会导致低效的内部能量转移，阻碍器件内部的电荷传输，降低其光伏性能。因此，实现高纯相、择优取向生长准2D钙钛矿的可控制备，提升准2D钙钛矿内部能量转移，是提高准2D钙钛矿光伏器件效率的重要方法。

研究人员首先探究了交联分子4-ABA与钙钛矿之间的相互作用，发现4-ABA中的N-H基团与Pb-I框架之间存在氢键相互作用。并通过泛函密度理论（DFT）计算，从理论方面揭示4-ABA有机间隔层与准2D钙钛矿之间的相互作用机制。证实了4-ABA相较于BA阳离子，与卤化物钙钛矿之间存在更强的相互作用。此外，4-ABA可以通过−COOH锚定在NiO_x表面，并通过−NH₂与钙钛矿形成氢键或静电相互作用并入Pb-I框架中。因此，4-ABA不仅能作为准2D钙钛矿体相双锚交联剂，还可以自组装于埋底界面，作为埋底界面分子连接剂，稳固空穴传输层/钙钛矿埋底界面，实现自下而上的系统交联效果。

图1 4-ABA与钙钛矿和NiO_x的相互作用

作者进一步研究4-ABA对准2D钙钛矿晶体取向的影响。引入4-ABA后，钙钛矿薄膜的衍射环在小n值相存在分散的布拉格格点，表明其能够调节准2D钙钛矿晶体成核和生长，促进高度取向钙钛矿晶体在平行于基底表面的（0k0）平面上排列生长。同时，4-ABA还能够调控2D钙钛矿的生长动力学，使得含有4-ABA钙钛矿薄膜中存在不同n值相。低维钙钛矿相主要分布在4-ABA改性钙钛矿薄膜的上层，在下层小n值相的形成过程受到抑制。这种2D相的再分配可以有效增强钙钛矿膜对水分和氧气抵抗作用，从而提高其环境稳定性。

图2 薄膜质量和载体动力学

作者比较了有无4-ABA交联分子对钙钛矿薄膜光、热稳定性的影响。得益于4-ABA末端官能团与Pb-I钙钛矿框架之间存在较强的相互作用，增强了准2D钙钛矿薄膜内的层间键合，并且4-ABA的钝化缺陷能力可以有效抑制离子迁移，增加钙钛矿分解势垒。因此，4-ABA的引入有效地提高了钙钛矿薄膜的光、热稳定性。

图3 钙钛矿薄膜的热稳定性

为进一步验证基于4-ABA交联策略钙钛矿模组的稳定性，团队将封装器件送至德国电器工程师协会（VDE）进行稳定性测试。经认证，模组通过了IEC 61215：2016标准湿热（85% RH，85ºC）和太阳模拟器辐照（光强为600 W m⁻²）老化稳定性试验。认证结果显示老化1000 h后，模组仍能保持初始效率的100%。这一结果表明基于4-ABA交联策略实现了优异的PSMs稳定性。上述认证报告也是国际首个由学术机构获得的钙钛矿模组稳定性第三方认证报告。

图4 PSM的器件性能、环境稳定性和光热稳定性

为更好地评估钙钛矿模组的户外工作稳定性，以商业化晶硅电池为参比电池在相同条件下进行了户外稳定性测试（湖北武汉，2022年6月-9月）。由钙钛矿与晶硅电池的单日发电量比值趋势看出，其变化趋势平稳。同时，还对不同天气条件下钙钛矿与晶硅电池单日MPP最大功率点输出变化曲线进行分析，可以推断出基于4-ABA交联策略的钙钛矿模组也同样具有良好的户外稳定性。

图5 PSM的器件性能、环境稳定性和光热稳定性

华中科技大学是该论文的第一完成单位，华中科技大学任福梦博士、刘晓璇博士为共同第一作者。华中科技大学陈炜教授、刘宗豪副教授和哈工大郑州研究院/俄罗斯科学院化学物理和药物化学问题联邦研究中心Pavel A. Troshin教授为共同通讯作者。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、华中科技大学自主创新研究基金、湖北省自然科学基金和光谷实验室创新计划等项目资助。

华中科技大学陈炜、刘宗豪团队一直致力于推动面向应用的反式钙钛矿太阳能电池的研究。历年来在大面积、高效率、高稳定反式钙钛矿太阳能电池和模组研究方面取得了丰富的研究成果。除早期的Science（Science, 2015, 350, 944），Nature Energy（Nature Energy, 2016, 1, 16148）论文外，后续发表过多篇重要论文解决稳定性（Nature Communications, 2019, 10 , 1161, 第一单位; Nature Communications, 2023, 14, 6120, 第一单位）和大面积高效率模组制造瓶颈（Nature Energy, 2020, 5, 596, 合作单位; Science Advances, 2021, 7, eabg3749, 第一单位）。近期最新的反式电池高效率论文也陆续发表在Nature（Nature, 2024,632, 536, 第一单位）、Science（Science, 2023, 380, 404, 合作单位）和Nature Energy（Nature Energy, 2023, 8, 839, 第一单位）。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.11.010