10%PEA边缘钝化实现钙钛矿效率提升30%：双间隔层的π-π堆叠桥接与结晶调控

 

二维2D RP钙钛矿（通式A′₂Aₙ₋₁PbₙX₃ₙ₊₁）因其结构可调、稳定性较好而受到广泛关注。其中，有机间隔阳离子A′对晶体取向、相纯度和薄膜形貌具有关键影响。近年来，双间隔层策略（共同使用两种有机阳离子）被证明能有效优化薄膜质量与电池性能，但其中芳香性间隔层（如PEA）的作用机制尚不明确。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

在二维2D RP钙钛矿体系中引入双有机间隔层是提升薄膜质量与电池性能的有效策略。本研究通过在BA₂MA₂Pb₃I₁₀中部分引入苯乙铵（PEA）构建了BA₁₋ₓPEAₓMA₂Pb₃I₁₀双间隔层体系。研究发现，当x=0.1（即10% PEA替代）时，薄膜结晶性显著提升，太阳能电池效率提高约30%；而更高PEA含量则导致结晶度下降。机理研究表明，芳香性PEA阳离子因空间位阻效应优先富集于钙钛矿片层边缘，并通过π-π堆叠连接相邻晶粒，实现边缘钝化与生长调控。这一工作为芳香间隔层在二维钙钛矿中的功能机制提供了新见解。

PL强度（归一化）基底含10% PEA、基底边缘态及波长 λ (nm)

薄膜形貌与结晶性

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一个基本的矩形二维RP片层的边缘表面（红色）(a) 和基面（黄色）(b)，该片层由n层MAPbI₃夹在两个BA间隔层之间构成

 双间隔层钙钛矿薄膜的FESEM俯视图图像，PEA含量分别为0%、10%、50%和100%（a–d）。(e) ToF-SIMS深度剖面图，显示该系列薄膜中PEA阳离子在钙钛矿薄膜内的分布。(f) 二维钙钛矿薄膜的水接触角测量值随PEA含量的变化

 (a) 双间隔层薄膜系列的X射线衍射光谱。(b) 衍射峰（111）和（202）的峰高、峰高比 Hᵣ = H(202)/H(111) 以及半高宽随PEA摩尔分数的变化函数

形貌改善：引入10% PEA后，薄膜表面裂缝显著减少，变得更为致密。

结晶性提升：XRD显示10% PEA薄膜的（202）晶面衍射峰强度提高近30%，表明结晶性增强。

取向变化：低PEA含量时薄膜呈垂直取向（Hr>1），高PEA含量时转为水平取向（Hr<1）。

光学性质与相分布

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(a) 双间隔层薄膜系列的UV-Vis光谱(b) 0% PEA薄膜的PL光谱及其拟合峰(c) 双间隔层薄膜系列的发射光谱

UV-Vis吸收光谱表明，随着PEA比例增加，薄膜中同时出现更多低n相（如n=1,2）和高n相（n>3），呈现多相分布特征。

光致发光PL光谱中，所有薄膜在~720–760 nm均出现边缘态发射峰。10% PEA薄膜该峰显著淬灭，说明PEA有效钝化了晶体边缘态。

低能量PL峰位置与PEA百分比的关系

光伏性能

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(a) 双间隔层太阳能电池系列的J-V特性曲线(b) 双间隔层太阳能电池系列的外量子效率光谱(c) 沉积在电荷传输层上的双间隔层2D RP钙钛矿的时间PL衰减曲线

含0%、10%、50%和100% PEA的双间隔层太阳能电池的J-V特性参数

在环境条件下制备的倒置结构太阳能电池中，10% PEA电池平均效率达11.85%，较原始电池（9.07%）提升约30%。

过量PEA（50%、100%）会导致填充因子下降，效率降低，主要归因于界面载流子提取受阻。

机理证据

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(a, c) 原始（0% PEA）薄膜和 (b, d) 10% PEA薄膜在不同掠入射角下的GIWAXS图像，分别对应表面、亚表面和体相的探测深度

 (a-c) 100%、0%和10% PEA前驱体结晶顶部表壳的照片，黄色箭头表示横向生长方向。(d) 对应的XRD图谱

GIWAXS：10% PEA薄膜在表面与亚表面区域衍射信号更强，出现低角度层状衍射峰，表明结构有序度提升。

TUNA-AFM：10% PEA薄膜电流分布更均匀，说明边缘缺陷与泄漏通道被有效抑制。

XPS：C-N结合能位移证实PEA存在于薄膜表面边缘区域。

作用机制

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(a) 0% PEA和 (b) 10% PEA钙钛矿薄膜的示意图。在10% PEA薄膜中，PEA阳离子积聚在边缘表面，通过π-π相互作用促进相邻晶粒之间的相互连接（放大视图）

研究提出如下成膜机制：

在BA基2D钙钛矿中，BA主要位于基面，促进垂直生长但易产生裂缝。当引入少量PEA（10%）时：

边缘优先吸附：PEA因分子体积较大，难以进入基面，而优先吸附于晶体边缘表面。

π-π堆叠桥接：边缘的PEA通过芳香环间的π-π相互作用连接相邻晶粒，增强横向连接。

边缘钝化：PEA覆盖边缘态，减少非辐射复合，同时约束晶粒生长方向，形成更有序的薄膜结构。

当PEA含量过高时，PEA亦开始进入基面，但其聚集倾向导致排列无序，结晶性下降，电池性能恶化。

本研究阐明，在双间隔层2D RP钙钛矿中，少量PEA（~10%）可通过边缘选择性钝化与π-π桥接作用，显著提升薄膜结晶性与电池效率。该机制强调了芳香间隔层的空间分布调控对薄膜生长的重要性，为设计高性能二维钙钛矿光电电池提供了理论依据。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

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原文参考：Phenethylammonium-Induced Edge Passivation for Regulated Growth of Dual-Spacer Ruddlesden-Popper Perovskite Films

 

 

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