香港中文大学（深圳）理工学院Randi Azmi教授团队在钙钛矿太阳能电池领域发表综述文章。论文以“Dimensionality engineering of perovskites for stable heterojunction-based photovoltaics”为题，发表于期刊Nature Reviews Materials。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41578-025-00847-6

一、期刊介绍

Nature Reviews Materials是自然出版集团在材料科学领域的旗舰综述期刊，当前期刊影响因子为86.2。通过仅接受约稿的严格同行评审流程，该期刊发表具有高影响力的综述、观点、路线图及评论文章，这些成果持续塑造着研究议程与方法论。凭借其广泛的跨学科覆盖范围及学术权威性，该期刊始终位列材料领域最具影响力的期刊前列，为学术界和工业界提供研究趋势与发展方向的可靠指南。

二、概述

作为能源转型与碳中和目标的基石，太阳能光伏技术凭借其清洁低碳特性、持续下降的成本以及与规模化制造相兼容的特点而备受瞩目。在此背景下，异质结通过能带对齐工程、载流子复合抑制和耐久性增强提供了关键界面框架，直接决定了器件能否在长期运行期间维持高效率。

本综述聚焦三维/低维（3D/LD）异质结体系——即在三维钙钛矿表面构建低维钙钛矿或钙钛矿衍生覆盖层与外延层——系统梳理了界面不稳定的起源，概述了可工程化的配体化学与成膜路径，并详述了长期运行稳定性的评估方案与加速模型。我们提炼出四项核心设计规则：高pK_a值、多齿配位、相纯且有序的低维层结构，同时汇集了电池与组件在热-光-湿多应力耦合作用下寿命显著延长的实证。本文进一步强调了从材料工艺到可靠性计量学的全链条整合路径，为规模化应用提供了清晰可实施的路线图。

三、研究背景

尽管三维钙钛矿太阳能电池的效率持续提升，其长期稳定性仍受限于固有失效路径：表面与体相缺陷，离子迁移，以及二次相或相变。陷阱诱导的非辐射复合会降低开路电压和填充因子；电场、热和光应力驱动卤化物及小分子有机离子的迁移，从而加速界面反应和电极腐蚀；湿热与光照会促进相分离和结构重排，导致运行过程中的性能衰减。

相比之下，低维（0D/1D/2D）钙钛矿展现出更强的相稳定性和更好的环境、热及光应力耐受性，为延长器件寿命提供了材料学途径。因此在三维薄膜上构建三维/低维（3D/LD）异质结已成为主流策略。有序、相纯的低维覆盖层或外延层可钝化缺陷、抑制离子迁移、优化能带对齐并缓冲环境应力，从而实现高效率与耐久性的协同提升。

需要特别指出的是，若配体锚定不充分或成膜控制不佳，会导致形成不配位、多相混合、取向无序或过厚的绝缘层，引发能级失配和额外传输阻抗，从而削弱稳定性增益。因此，高可靠性三维/低维设计应优先考虑强锚定配体、相纯且取向可控的超薄连续低维层，以及可重复的工艺控制。

四、研究内容

研究问题

钙钛矿太阳能电池的效率已达到顶尖水平，但其运行稳定性因表面/体相缺陷、离子迁移及界面无序等问题而滞后。构建三维/低维异质结可通过化学与静电钝化三维表面，并优化与电荷传输层的能级对齐，从而减少界面复合。然而在实际操作中，低维覆盖层往往形成多相混合、随机取向及过量未结合配体的结构，这会破坏能带偏移、引入电阻势垒并重启非辐射复合通道。其结果是，除非低维层具备相纯特性、定向排列且与三维骨架牢固键合，否则器件仅能有出色的初始性能，而后将迅速衰减。

图1a：三维/低维器件结构

图1b：采用低维覆盖层的能量转换效率发展进程

设计原则：维度与能带对齐

低维层（0维/1维/2维；Ruddlesden-Popper相、Dion-Jacobson相和交替阳离子界面相）可通过三个相互关联的调控维度——取向（面内与面外）、n值（量子阱厚度）以及层间键合——进行定制，从而在保持钝化效果的同时调控界面偶极和能带偏移。Ruddlesden-Popper相使用两个被范德瓦尔斯间隙分隔的单价间隔基；Dion-Jacobson相采用去除该间隙的二价间隔基；交替阳离子界面相通常使用胍盐离子，从而产生独特的稳定性-传输权衡特性。调节n值可改变导带底/价带顶和功函数以实现目标能带对齐。在三维/低维界面实现II型能带对齐对载流子分离和提取特别有效，但少数二维组分会将导带底置于三维主体之下，因此需要额外的界面维度工程（尤其在电子选择性接触侧）。面外传输通常受高阻性有机层限制，可通过缩短间隔基或使用二价间隔基、调控键合模式来缓解：较弱氢键可提升空穴传输，但可能降低结构稳定性；而强弱混合氢键网络或π共轭配体则能建立有助于载流子迁移的连续能带。

晶体取向同样关键：垂直生长与较高维度有利于电荷传输，而平行取向可赋予更好的耐湿性。最优设计需平衡传输性能与界面疏水性及离子迁移路径。配体化学亦至关重要，较高pK_a值的多齿头基（脒基、胍基、N-取代咪唑鎓）相比伯铵间隔基更能抵抗路易斯碱辅助的去质子化，并抑制配体迁移，从而稳定热/光条件下的结界面。

最后，溶剂极性及给体数、配体浓度、温和退火等工艺选择决定了覆盖均匀度并最小化未反应有机物。异丙醇可部分溶解三维表面并残留PbI₂作为低维层成核位点；二甲基亚砜共溶剂促进配体扩散，但易形成三维/低维混合相；乙腈或乙酸乙酯能改善结晶均匀性；氯仿通常需在三维墨水中添加过量PbI₂以形成低维层，否则存在游离配体残留风险。

这些调控手段共同助力形成相纯、超薄且优先选择面外取向的低维覆盖层，其具备确定的n值，可实现低损耗垂直传输和稳健钝化，从而在不牺牲短路电流密度（J_SC）的前提下提升开路电压（V_OC）和填充因子（FF）。

图2：低维组分工程与性能

低维覆盖层的形成机制及分布重要性

顶部接触式低维覆盖层是在将配体溶液旋涂至成型三维薄膜表面的过程中原位形成的：配体要么与A位阳离子发生阳离子交换，要么与表面残留的PbI₂及其他杂质相反应（图3a）。图3b展示了生成0维、1维和2维产物的反应路径；0维结构形成通常需要额外卤源，因此许多研究转而通过非极性溶剂沉积预合成的0维纳米晶以避免损伤三维晶格。三维前驱体中约5%至15%的残留PbI₂可在晶界和表面诱发1维/2维结构生长，此时必须控制配体对PbI₂的选择性以防止生长不均。

最终形成的低维分布可能呈现平面均匀型（即在顶部表面连续覆盖）或不连续渗透型（即不均匀且渗入晶界），该结果由配体反应活性与分子尺寸、工艺选择、A位组成及局部PbI₂分布共同决定（图3b）。
 

• 对三维晶格反应活性较低或对PbI₂反应活性较高的配体易形成不连续覆盖层，而均匀的PbI₂预层或易与钙钛矿反应的配体则有利于形成平面均匀覆盖。

• 分子尺寸同样关键。高反应活性的小分子配体渗透更深，会形成渗透型、较高n值的分布；而具有适中反应活性且与八面体骨架强耦合的大分子配体则停留在表面附近，促进平面二维层形成。

• 溶剂选择决定溶解与扩散行为。例如，异丙醇可部分溶解三维表面并残留PbI₂，促进低维层形成；异丙醇与N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜混合会驱动部分溶解，并形成均匀性较差的三维/低维混合相；乙腈或乙酸乙酯有助于实现均匀的1维/2维结晶；氯仿对钙钛矿溶解度低，通常需在三维墨水中添加过量PbI₂以避免游离配体残留。

在100°C及以下温度进行数分钟的中等强度退火可完成转化、辅助取向选择并去除弱结合有机物，而过度退火会破坏三维表面。这种分布至关重要，因为平面均匀型覆盖层通过最小化串联电阻和界面复合，通常比不连续型或渗透型覆盖层具有更长的运行寿命。

图3：三维/低维异质结构的制备方案

传统间隔基的失效原因（不稳定性机制）

形成二维Ruddlesden–Popper相层的传统单价铵类间隔基失效的主要原因在于：其有机层仅通过弱范德瓦尔斯作用力结合，且与无机八面体骨架形成的氢键数量有限，这种结构特性导致其在热/光应力下易发生配体迁移与结构破坏（如图4所示）。

一旦发生迁移，低pK_a值的铵基配体易被运行环境中存在的路易斯碱（包括水汽、含氧物种及原位生成的三碘化物）去质子化，产生沿晶界扩散的中性胺分子。在光照与高温条件下，界面氧化还原反应进一步加速损伤：碘化物被氧化成碘单质，PbI₂与金属铅/碘分子发生相互转化；新形成的胺分子还会与甲脒阳离子反应释放NH₃，通过配位作用溶解三维骨架，同时将残留PbI₂还原为金属铅并副产HI，产生空位缺陷，进而促进碘化物向阳极迁移，最终引发灾难性失效。除这些本征路径外，低维层形成过程中的动力学差异会导致过量未结合有机物和不可控混合相，引发界面能失配、结构无序及长期化学不稳定性；即使采用溶剂清洗也无法完全去除这些物质，甚至可能引发二次溶解，加剧稳定性结果的波动性。

相比之下，高pK_a值多齿头基（如脒基、胍基及N-取代咪唑鎓）能有效抵抗去质子化并强化低维晶格；而消除范德瓦尔斯间隙的Dion-Jacobson连接剂及增强氢键数量与强度的结构设计，则可提供更抗迁移分解的刚性覆盖层，从而有效应对图4总结的失效模式。

图4：加速老化条件下三维/低维界面的结构演化

配体工具箱与分类

图5通过根据化学结构和头基酸度对有机间隔基进行分类，整合出实用型“工具箱”——这两条坐标轴共同决定了低维覆盖层的相纯度、维度特性与耐久性。分类体系遵循六项配体属性：电荷、形状、尺寸、溶解度、氢键能力及本征反应活性。

高pK_a值多齿头基可缓解路易斯碱辅助的去质子化与迁移，而低pK_a值铵基头基则更易受损。典型伯铵基团pK_a≈9-11；脒基与胍基pK_a≥12-13，能抵抗热/光条件下的去质子化；N-取代咪唑鎓缺乏N-H键，其最强酸性质子位于碳原子上（pK_a＞23），具备最优抗性。相较之下，未经N-取代的咪唑鎓pK_a可低至≈7，更易降解。在低配体浓度时，多数铵基头基配体可钝化A位点缺陷；超过临界浓度后则原位成核，形成低维钙钛矿，最终物相取决于配体在八面体网络中的排列方式及阴、阳离子比例。

渗透深度与n值分布受尺寸与结构调控：具反应活性的单/二价小分子配体渗透晶界产生n=1-5混合相，而大体积杂芳基或芳香配体在表面发生π堆叠，有利于形成较高n值的表面覆盖型二维层。

不同间隔基的加工性能亦存在差异。Ruddlesden–Popper相受益于配体的宽范围溶解度与自组装特性；Dion–Jacobson间隔基溶解度较低，但能缩短无机层间距，并改善面外电荷传输。

图5列出了来自文献的各类代表性配体，着重阐明了结构与pK_a如何协同调控最终低维层的相纯度与维度特性。

图5：配体化学设计与分类

制备相纯均匀低维覆盖层及规模化策略

图6展示了抑制混合相形成、提升结质量的两种互补路径。
 

• 固态面内生长法在控温控压条件下将预合成的相纯二维薄膜堆叠于成型三维钙钛矿表面，形成超薄、均匀的平面覆盖层。该方法可避免非预期中间相、最小化界面复合并提升内建电势；采用该技术的二维/三维器件实现了24.8%的峰值光电转换效率，在湿热环境与1个标准太阳光照射下持续1000小时后仍保持约94%的初始性能。

• 同步发展的预合成低维墨水技术将特定n值的二维钙钛矿溶解于高介电常数、强给体特性的极性非质子溶剂中，通过旋涂、刮涂或狭缝涂布方式沉积共形覆盖层，同时最小化对底层三维相的溶解；通过调控溶剂特性可实现确定性n值控制，采用二维BA₂MAPb₂I₇覆盖层的器件效率达~24.5%，在60℃环境下运行约2000小时后几乎无衰减。

• 现存挑战包括难以规模化合成相纯的高n值二维材料，以及该方法对其他配体体系的普适性有限；直接沉积一维/零维结构虽具可行性，但相关报道较少。

除顶部覆盖外，图6还总结了底部低维钝化与层间工程技术，例如采用交联聚合物或二维材料抑制离子扩散，在溶液涂覆过程中保护三维表面，并为溶液法与干法-真空路线提供更多可规模化的选项。这些策略共同聚焦于确定的n值与相纯度，以制备适用于产业化生产的共形均匀低维覆盖层。

图6：相纯低维层的制备与工程化策略

器件寿命评估

为统一比较不同温度条件下的稳定性研究数据，我们采用阿伦尼乌斯加速因子对报道的寿命数据进行归一化处理，并设定35°C为共同参照温度（该温度近似模拟1倍太阳光照射下典型户外工作温度——经日光照射的组件温度会超过室温）。通过该方法可从加速测试中得出T₈₀（效率维持初始值80%的时间）的一致性评估。

在此框架下，低维覆盖层通常将运行寿命从数月延长至数年（某些案例），甚至可将衰减曲线从初始光衰骤降转变为具有更高稳定效率的非单调演化；然而当对照组稳定性较弱或未进行组分匹配时，这些增益可能被高估（参见图7）。基准条件至关重要：三维组分的热稳定性窗口差异显著——CsPbI₃器件耐受＞100°C，甲脒基电池在~95°C以下稳定，甲胺基电池在~60°C以下稳定，因此相同的低维配方可能产生不同的绝对寿命。值得注意的是，平面均匀型低维覆盖层的寿命持续优于不连续型或渗透型覆盖层，这源于其更低的串联电阻和更少的界面复合位点；配体选择与维度调控进一步影响耐久性，高pK_a值头基与低n值低维结构通常呈现更优稳定性。

总结而言，通过构建相纯、定向排列且强键合的低维覆盖层，配合避免渗透的溶剂与退火方案，可实现最可靠的稳定性提升。当与组分匹配的三维吸收体结合，并通过阿伦尼乌斯归一化指标评估时，这些异质结展现出与实际应用需求相匹配的工作寿命，并具备清晰的规模化路径。

图7：不同类型低维覆盖层的报道稳定性及其最大功率转换效率

五、研究结论

当低维覆盖层具备相纯特性、定向排列且强键合时，维度异质结方能发挥最佳效果。通过调控取向、n值及层间键合，可精准调节界面偶极与能带偏移，优化传输路径，从而实现性能与稳定性的同步提升。II型能带对齐是最理想目标，但并非自动实现。多数二维组分天然具有相对于三维相更高的价带顶，这有助于空穴提取；而要实现导带底低于三维主体的能带结构以促进电子提取则较为罕见，这通常需要额外的界面维度工程。在统一评估标准下可观测到显著的稳定性提升：采用阿伦尼乌斯加速因子将数据归一化至35°C时，低维覆盖层通常将T₈₀寿命从数月延长至数年（某些案例），并能将初始光衰转化为具有更高稳定效率的非单调演化曲线。平面均匀型覆盖层因具有更低的串联电阻和更少的界面复合位点，其寿命持续优于不连续型或渗透型结构；高pK_a配体与低n值低维结构普遍呈现更优的稳定性。

传统Ruddlesden–Popper间隔基因范德瓦尔斯耦合作用弱且氢键有限，会发生配体迁移从而失效；低pK_a铵基头基易被光热条件下生成的弱路易斯碱去质子化，产生可移动胺分子并催化后续降解。因此配体工具箱指向高pK_a值多齿头基（脒基、胍基及N-取代咪唑鎓），其相较伯铵基具有更强的抗去质子化能力，能有效抑制配体迁移并更好地维持低维骨架稳定性。键合模式与晶体取向需权衡设计：强弱混合氢键网络与π共轭配体可形成连续能带，从而促进载流子传输；垂直生长提升电导率但可能削弱疏水保护，而平行生长可增强耐湿性——最优设计需平衡这些效应。

综上所述，从高pK_a多齿配体家族中筛选出相纯、定向排列且化学稳定的低维覆盖层，结合对取向、n值与键合的精确调控，再通过阿伦尼乌斯归一化指标评估，可实现最可靠的耐久性提升。这些原则使得三维/低维异质结具有与实际应用相匹配的工作寿命，并为其可规模化制造提供了清晰路径。

六、作者简介

通讯作者/第一作者：Randi Azmi教授

Randi Azmi，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授。于2014年获印度尼西亚大学凝聚态物理专业学士学位，2020年获韩国国民大学应用纳米化学博士学位。在加入香港中文大学（深圳）前，他于2020年担任沙特阿卜杜拉国王科技大学博士后研究员，并于2024年晋升为研究科学家。Azmi教授已在国际知名期刊发表/合作发表45篇论文（h-index = 30，被引超4,200次），包括Science（3篇）、Nature（2篇）、Joule（3篇）、Nature Communications（2篇）、Advanced Materials（2篇）、Advanced Energy Materials（7篇）及ACS Energy Letters（7篇）等。2022年，他因在科学技术与创新领域的卓越贡献荣获东盟青年科学家奖。

第三作者：刘妍娉

刘妍娉是理工学院能源科学与工程专业的博士生，在Randi Azmi教授指导下从事异质结钙钛矿太阳能电池研究。其研究成果已在Nature Reviews Materials等期刊发表8篇论文。其研究紧密围绕清洁能源技术体系，以新一代钙钛矿太阳能电池为核心，致力于通过界面工程提升其光电转换效率，其研究也涵盖了氢能制备与新型储能等领域。

七、团队介绍

Randi Azmi教授的研究团队——HERO实验室（可再生能源异质结材料实验室）。该团队致力于对基于有机-无机杂化异质结薄膜的高效单结及多结太阳能电池开展广泛研究。团队目标是开发兼具高效率和稳定性的下一代太阳能电池技术。围绕这一重点，该团队从多学科交叉角度推动技术进步，研究领域涵盖从新型材料到器件制备的全链条，包括工艺与材料优化，并在实际工作环境中评估太阳能电池性能，最终目标是推动其达到产业化水平。

此外，Randi Azmi教授与来自德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）和沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的学者合作，在Science期刊上发表了题为“Electron accumulation across the perovskite layer enhances tandem solar cells with textured silicon”的论文。该论文研究了完全纹理化的钙钛矿/硅串联太阳能电池，这种器件的设计与制备符合商业化硅片标准。

文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adx1745 

一、期刊介绍

Science（《科学》杂志）自1880年由托马斯·爱迪生提供启动资金创办以来，一直站在重要科学发现的中心。如今，Science依然发表各个科学领域最优秀的研究成果，其文章始终位列全球被引用次数最高的论文之列。

二、论文简介

钙钛矿/硅串联太阳能电池通过调节钙钛矿层，使其吸收太阳光谱中高频部分的光，以补充硅电池对低频光的吸收，从而可以实现超过最佳单结硅电池的光电转换效率。然而，要实现可规模化的钙钛矿薄膜沉积方法仍面临诸多挑战，其中包括缺陷钝化材料的设计等问题。

在本研究中，我们发现，通过可规模化沉积技术制备的钙钛矿体相材料，其固有特性会限制薄膜的质量，并导致界面处产生缺陷。我们采用了一种具有可调偶极极性的钝化策略，从而同时增强了电场效应与化学钝化作用，使钙钛矿层在复杂纹理表面上实现了完整共形覆盖。

最终，我们制备出了高性能的全纹理化钙钛矿/硅串联太阳能电池，在标准AM1.5G太阳光照条件下获得了33.1%的光电转换效率和2.01伏的开路电压，并在红海海岸的户外环境中表现出优异的长期稳定性。

图1：钙钛矿/硅串联太阳能电池的性能与稳定性

供稿 | Randi Azmi教授团队