鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高功率轉換效率（PCE）和低制造成本，成為有前景的光伏（PV）技術。本文深入探討了PSCs領域的變化，通過分析包括零維（0D）、一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）結構在內的各種維度多樣性，并探索了混合維度集成在提高這些光伏器件穩定性和性能方面的潛力。為了微調鈣鈦礦材料的性能，研究人員采用了諸如鈍化策略、界面工程和精確的晶體生長控制等前沿方法。這些方法顯著提高了開路電壓（V_OC）、長期穩定性和PCE。本文還詳細討論了每種維度集成中涉及的復雜權衡，為材料性能、器件架構和制造技術之間的復雜相互作用提供了重要見解。PSCs中的維度多樣性代表了推動光伏技術前沿的動態路徑，為科學家和工程師實現下一代太陽能電池的全部潛力提供了寶貴方向。總之，本文全面分析了鈣鈦礦基太陽能電池的發展、挑戰和潛力，通過探討印刷技術、穩定性問題、應用 領域以及鈣鈦礦材料的特殊性質，為高效PSCs的開發做出了貢獻。
近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其有望徹底改變光伏行業而備受關注。實驗室條件下，PSCs的功率轉換效率（PCE）已超過25%，與傳統硅基太陽能電池相當。PSCs的高效率為更好地利用太陽能發電帶來了巨大潛力。PSCs可以低成本、大規模生產，采用旋涂和噴墨打印等工藝，相比需要高能耗制造過程的傳統硅太陽能電池，PSCs可能帶來更實惠的太陽能系統。鈣鈦礦材料因其優異的光學和電子特性，非常適合太陽能電池應用。隨著研究的深入，PSCs的穩定性、可擴展性和耐久性得到了顯著提升。預計隨著持續的研究和發展，PSCs的長期穩定性和性能將進一步提高，更接近商業化應用。
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圖1 | 鈣鈦礦太陽能電池中零維（0D）、一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）的維度多樣性：探索混合維度集成的潛力
a，頂部：2D配體在ITO/2PACz表面形成并釋放的機制。底部：在ITO/(2PACz + HBzA)上3D鈣鈦礦形成的機制以及底部界面處的陽離子交換（左）；在ITO/2PACz底部接觸層上的2D/3D異質結（右）。
b，近底部空穴傳輸層接觸處的橫截面高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像，放大顯示平行2D鈣鈦礦層的區域。快速傅里葉變換顯示2D層間斑點（002）和（004）與n=2的主導相匹配。比例尺：50納米（頂部）和10納米（底部）。
c，使用405納米激發光，從玻璃側和頂部鈣鈦礦表面膜不同激發方向得到的底部2D/3D異質結的歸一化光致發光（PL）光譜，波長從低到高。
解析
一、圖1a部分
頂部機制：描述了2D配體在ITO（氧化銦錫）/2PACz（一種有機分子）表面如何形成并釋放的過程。這通常涉及到有機分子在金屬氧化物表面的自組裝，形成一層有序的分子層，這對于后續的鈣鈦礦層沉積和性能有重要影響。
底部機制：
3D鈣鈦礦形成：在ITO/(2PACz + HBzA)（HBzA為另一種有機分子）基底上，3D鈣鈦礦如何形成。這通常涉及溶液中的前驅體分子在基底上的結晶過程。
陽離子交換：在底部界面處發生的陽離子交換過程，這可以調整鈣鈦礦的組成和性質，進而影響其光電性能。
2D/3D異質結：展示了在ITO/2PACz底部接觸層上形成的2D/3D異質結結構。這種結構結合了2D材料的穩定性和3D材料的高效電荷傳輸能力。
二、圖1b部分
STEM圖像：提供了近底部空穴傳輸層接觸處的橫截面高角度環形暗場STEM圖像。這種圖像能夠清晰地顯示材料的微觀結構。
平行2D鈣鈦礦層：放大圖像顯示了平行的2D鈣鈦礦層，這些層在界面處形成有序的結構。
快速傅里葉變換：通過快速傅里葉變換分析，確認了2D層間斑點（002）和（004）與n=2的主導相匹配，這進一步證實了2D鈣鈦礦層的存在和其晶體結構。
三、圖1c部分
歸一化PL光譜：展示了使用405納米激發光，從玻璃側和頂部鈣鈦礦表面膜不同激發方向得到的底部2D/3D異質結的歸一化光致發光光譜。
激發方向：通過改變激發方向，可以研究光在2D/3D異質結中的傳播和發射特性，這對于理解異質結的光電性能至關重要。
波長范圍：光譜覆蓋了從低到高的波長范圍，提供了關于異質結發光特性的全面信息。
四、整體解析：
圖1通過機制圖、STEM圖像和PL光譜，全面展示了2D/3D異質結在鈣鈦礦太陽能電池中的形成過程、微觀結構和光電性能。這種混合維度集成策略結合了2D材料的穩定性和3D材料的高效電荷傳輸能力，為提高鈣鈦礦太陽能電池的性能提供了新的思路。
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圖2 | 鈣鈦礦太陽能電池中電子選擇性頂部界面的三維/二維（3D/2D）異質結。
a，形成3D/2D異質結鈣鈦礦的兩步混合工藝。FAI，甲脒碘化物。
b，從頂部鈣鈦礦表面薄膜入射光時，各薄膜的歸一化光致發光（PL）光譜。
c，低入射角（0.2°）下頂部3D/2D異質結的掠入射廣角X射線散射圖。
d，近頂部C60接觸的橫截面高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像，以及顯示2D鈣鈦礦垂直取向區域的放大圖。BCP，浴銅靈。比例尺：50納米（左）和10納米（右）。
解析
圖2概述
圖2主要展示了在鈣鈦礦太陽能電池中，電子選擇性頂部界面處形成的3D/2D異質結結構，以及相關的表征結果。這種異質結結構對于提高鈣鈦礦太陽能電池的性能具有重要意義。
子圖解析
子圖a：
內容：描述了形成3D/2D異質結鈣鈦礦的兩步混合工藝。
解析：這種工藝可能涉及先沉積3D鈣鈦礦層，然后在其頂部通過某種方法（如溶液處理、氣相沉積等）形成2D鈣鈦礦層，從而構建出3D/2D異質結結構。FAI（甲脒碘化物）作為形成2D鈣鈦礦層的前驅體材料之一被提及。
子圖b：
內容：展示了從頂部鈣鈦礦表面薄膜入射光時，各薄膜的歸一化光致發光（PL）光譜。
解析：PL光譜是研究材料發光性質的重要手段。通過比較不同薄膜的PL光譜，可以分析2D鈣鈦礦層的引入對整體發光性質的影響，如發光峰位的移動、發光強度的變化等。這些信息有助于理解3D/2D異質結界面處的電荷轉移和復合過程。
子圖c：
內容：呈現了低入射角（0.2°）下頂部3D/2D異質結的掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖。
解析：GIWAXS是一種強大的表征技術，能夠提供關于薄膜材料內部結構的信息，如晶格常數、晶體取向等。通過分析GIWAXS圖，可以確定3D/2D異質結界面處晶體的排列方式和取向，這對于理解異質結的電荷傳輸性質至關重要。
子圖d：
內容：展示了近頂部C60接觸的橫截面高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像，以及顯示2D鈣鈦礦垂直取向區域的放大圖。
解析：HAADF-STEM圖像提供了高分辨率的薄膜橫截面結構信息。通過觀察圖像，可以清晰地看到2D鈣鈦礦層在3D鈣鈦礦層頂部的垂直取向排列，以及C60接觸層與鈣鈦礦層之間的界面結構。這種垂直取向的2D鈣鈦礦層有助于增強電荷在異質結界面處的傳輸效率。BCP（浴銅靈）可能作為界面修飾層或電子傳輸層的一部分被引入，以進一步優化界面性質。
總結
圖2通過多種表征手段展示了3D/2D異質結鈣鈦礦太陽能電池中電子選擇性頂部界面的結構和性質。這些結果為理解異質結界面處的電荷傳輸機制、優化電池性能提供了重要的實驗依據。
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圖3 | 設備性能和穩定性分析
a，制備的單結鈣鈦礦太陽能電池（PSC）示意圖。
b，控制組、底部、頂部及雙側2D/3D異質結PSC的代表性J-V曲線。
c，PSC的PCE、VOC和FF（從上至下）值的統計參數。箱線圖和須線圖表示統計分布：中心線代表平均值；箱子的底部和頂部代表25%至75%的百分位數；小方塊代表均值；須線代表異常值。
d，e，通過開爾文探針力顯微鏡橫截面掃描獲得的從C60電子傳輸層到玻璃/ITO側的界面電場分布。我們繪制了由發光二極管照亮的電池的光電壓圖。注意，為了更好地可視化，我們打破了空穴和電子選擇峰。a.u.，任意單位。比例尺，200納米。
f，封裝后的控制組、底部、頂部及雙側2D/3D鈍化基設備（ITO/2PACz/CsFAPbI3/C60/SnO2/IZO/Cu）在85°C和開路條件下1個太陽光照下的穩定性。數據代表五個電池的平均值標準差。
g，封裝后的雙側2D/3D鈍化基設備（ITO/2PACz/2D/3D-CsFAPbI3/2D/C60/SnO2/IZO/Cu）在40°C和1個太陽光照下的最大功率點跟蹤。T90表示電池保持其初始PCE值90%的壽命。
解析
這段文字詳細描述了圖3中關于鈣鈦礦太陽能電池（PSC）設備性能和穩定性的分析內容，主要包括以下幾個方面：
設備示意圖：
圖3a展示了制備的單結PSC的示意圖，為理解后續的性能分析和穩定性測試提供了設備結構背景。
J-V曲線分析：
圖3b呈現了控制組、底部、頂部及雙側2D/3D異質結PSC的代表性J-V曲線。J-V曲線是評估太陽能電池性能的重要手段，通過曲線可以直觀地看到不同結構PSC的電流-電壓特性。
統計參數分析：
圖3c通過箱線圖和須線圖展示了PSC的PCE（功率轉換效率）、VOC（開路電壓）和FF（填充因子）的統計參數。這種圖表形式能夠清晰地展示數據的分布情況，包括平均值、百分位數以及異常值，有助于全面了解不同結構PSC的性能差異。
電場分布分析：
圖3d和e通過開爾文探針力顯微鏡橫截面掃描技術，獲得了從C60電子傳輸層到玻璃/ITO側的界面電場分布。這種技術能夠揭示電池內部的電場分布情況，對于理解電池的工作原理和優化電池結構具有重要意義。同時，通過繪制光電壓圖，可以直觀地看到電池在光照下的電壓響應。
穩定性分析：
圖3f展示了封裝后的控制組、底部、頂部及雙側2D/3D鈍化基設備在85°C和開路條件下1個太陽光照下的穩定性測試結果。穩定性是評估太陽能電池商業化潛力的重要指標，通過長時間的光照和高溫測試，可以模擬電池在實際使用環境中的性能變化。
圖3g則進一步展示了封裝后的雙側2D/3D鈍化基設備在40°C和1個太陽光照下的最大功率點跟蹤（MPPT）結果。MPPT是評估電池在實際工作條件下性能的重要手段，通過跟蹤最大功率點，可以了解電池在不同光照和溫度條件下的輸出特性。同時，T90壽命的引入也為評估電池的長期穩定性提供了重要參考。
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鈣鈦礦太陽能電池中（0D、1D、2D和3D）的維度多樣性：探索混合維度集成的潛力 - 擴展數據圖1 | SAMs和HBzA配體的化學分析
a，將2PACz與HBzA（摩爾比為1:1）的混合物在真空下干燥數天后，再在氮氣手套箱中于100°C下退火以完全去除溶劑的照片。黃色沉淀粉末表明2PACz的磷酰基中的第一個P-OH與HBzA分子的胺之間發生了質子化，形成了離子鍵。b，固態粉末中HBzA、2PACz以及混合物（2PACz:HBzA，摩爾比為1:1）的FTIR（傅里葉變換紅外光譜）峰。混合物化合物中P-OH在~950 cm?¹和~1033 cm?¹處的峰向更高波數移動，表明由于2PACz的磷酰基酸的第一個P-OH基團去質子化而形成了更強的鍵合。因此，與P-O鍵相關的新峰在1105 cm?¹處形成。相比之下，混合物化合物中胺基（HBzA）的N-H彎曲峰在~1530 cm?¹和1620 cm?¹處向更低波數移動，且強度增強，這可能是由于-NH?質子化為-NH??。這些結果成功地證實了磷酰基酸的pKa1與烷基胺的pKb之間的酸堿反應，如圖1a所示。c，ITO薄膜上2PACz的XPS（X射線光電子能譜）分析。用DMF/DMSO清洗后，ITO上2PACz、HBzA以及2PACz+HBzA混合物的高分辨率C1s光譜。
解析
這段文字和圖表（雖未直接給出圖表，但根據描述可以理解）主要描述了關于自組裝單分子層（SAMs）和HBzA配體之間化學相互作用的分析，具體包括以下幾個方面：
混合物制備與觀察：
制備了2PACz和HBzA的1:1摩爾比混合物，并通過真空干燥和氮氣手套箱中的退火處理去除了溶劑。
觀察到黃色沉淀粉末，這表明兩者之間發生了化學反應，形成了離子鍵。
FTIR光譜分析：
通過FTIR光譜分析了HBzA、2PACz以及它們混合物的化學鍵變化。
混合物中P-OH峰的移動表明2PACz的磷酰基酸中的P-OH基團去質子化，與HBzA的胺基形成了更強的鍵合。
新出現的P-O鍵峰和N-H彎曲峰的變化進一步證實了酸堿反應的發生，即磷酰基酸的pKa1與烷基胺的pKb之間的反應。
XPS光譜分析：
使用XPS光譜分析了ITO薄膜上2PACz、HBzA以及它們混合物的表面化學狀態。
高分辨率的C1s光譜提供了關于這些化合物在ITO表面上的化學環境和鍵合狀態的詳細信息（盡管具體數據未在文本中給出，但通常XPS分析會揭示元素的化學狀態和鍵合情況）。
整體意義：
這段文字和相應的圖表分析展示了通過化學方法（酸堿反應）在ITO表面形成自組裝單分子層的過程，以及這種層對鈣鈦礦太陽能電池性能可能產生的積極影響。通過理解這些化學相互作用，可以優化SAMs的設計和應用，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和效率。這對于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用具有重要意義。
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擴展數據圖2 | 開爾文探針力顯微鏡（SKPM）映射圖像及功函數（WF）分布
a, 使用DMF/DMSO溶劑混合物清洗前后的ITO/2PACz+HBzA樣品。清洗前后ITO/2PACz+HBzA樣品的功函數（WF）變化較小，表明HBzA分子牢固地附著在2PACz分子上，這與X射線光電子能譜（XPS）結果一致。
b, 清洗后的ITO/2PACz樣品。
c, 裸露的ITO。
d, 使用DMF/DMSO清洗后的ITO/2PACz/鈣鈦礦和ITO/2PACz+HBzA/鈣鈦礦樣品的SKPM映射圖像。
e, 通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量得到的兩個樣品的功函數分布。在沉積鈣鈦礦薄膜并隨后去除HBzA配體后，ITO/2PACz+HBzA的功函數恢復到原始ITO/2PACz的功函數水平（約5.40 eV），證實了我們的假設。
解析
這段文字描述了一項關于鈣鈦礦太陽能電池中界面層功函數變化的研究。具體解析如下：
實驗背景與目的：
研究旨在探討不同界面層（特別是2PACz和HBzA分子）對ITO（氧化銦錫）電極功函數的影響。
功函數是材料表面電子逸出所需的最小能量，對于太陽能電池的性能至關重要，因為它影響電荷的提取和注入效率。
實驗方法：
使用了DMF/DMSO溶劑混合物清洗ITO/2PACz+HBzA樣品，以觀察清洗前后功函數的變化。
通過SKPM（開爾文探針力顯微鏡）和KPFM（開爾文探針力顯微鏡的一種變體，用于測量功函數）對樣品進行了表征。
實驗結果：
a部分：清洗前后的ITO/2PACz+HBzA樣品功函數變化較小，說明HBzA分子與2PACz分子之間有較強的相互作用，這與XPS結果相符。
b部分：展示了清洗后的ITO/2PACz樣品，作為對比。
c部分：提供了裸露ITO的功函數作為基準。
d部分：展示了清洗后的ITO/2PACz/鈣鈦礦和ITO/2PACz+HBzA/鈣鈦礦樣品的SKPM映射圖像，直觀顯示了功函數的空間分布。
e部分：通過KPFM測量得到的功函數分布顯示，在沉積鈣鈦礦薄膜并去除HBzA配體后，ITO/2PACz+HBzA的功函數恢復到接近原始ITO/2PACz的水平（約5.40 eV）。
實驗結論：
實驗結果支持了研究假設，即HBzA分子的引入和去除對ITO電極的功函數有顯著影響，但這種影響在去除HBzA后可以恢復。
這表明通過調控界面層的分子組成，可以有效地調節電極的功函數，進而優化鈣鈦礦太陽能電池的性能。
科學意義：
該研究為理解鈣鈦礦太陽能電池中界面層與電極之間的相互作用提供了新的見解。
通過精確控制界面層的分子組成和結構，有望進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。
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《鈣鈦礦太陽能電池中的維度多樣性（0D、1D、2D和3D）：探索混合維度集成的潛力》擴展數據圖3 | 鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCE）、開路電壓（VOC）和填充因子（FF）統計數據。a，不同摩爾比的2PACz:HBzA的底部2D/3D結構。b，底部2D/3D異質結中采用不同2D配體（苯甲胺，BzA；苯乙胺，PEA；丁胺，BA；己基甲基胺，HMA）且2PACz摩爾比為1:1的情況。c，頂部3D/2D異質結中PbI2厚度變化的頂部3D/2D結構。每種條件下的統計數據均來自不同批次的10至20個電池。需要注意的是，此處使用的鈣鈦礦材料基于Cs0.05FA0.95PbI3。
解析
這段文字描述了一個關于鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）中混合維度集成研究的擴展數據圖，具體包含了三個部分的統計數據：
a部分：
內容：展示了不同摩爾比的2PACz和HBzA組成的底部2D/3D結構的PSCs的性能統計數據。
關鍵點：通過改變2PACz和HBzA的摩爾比，可以研究這種比例變化對PSCs的PCE、VOC和FF的影響。
b部分：
內容：展示了在底部2D/3D異質結中，使用不同2D配體（苯甲胺BzA、苯乙胺PEA、丁胺BA、己基甲基胺HMA）且2PACz摩爾比為1:1時，PSCs的性能統計數據。
關鍵點：通過替換不同的2D配體，可以探究配體種類對PSCs性能的影響，特別是在保持2PACz摩爾比不變的情況下。
c部分：
內容：展示了頂部3D/2D異質結中，隨著PbI2厚度變化的PSCs性能統計數據。
關鍵點：通過改變PbI2層的厚度，可以研究這一變化如何影響頂部3D/2D結構的PSCs的PCE、VOC和FF。
額外信息：
所有統計數據均來自不同批次的10至20個電池，這確保了數據的可靠性和重復性。
實驗中使用的鈣鈦礦材料是基于Cs0.05FA0.95PbI3的，這提供了實驗的具體材料背景。
整體意義：
這段文字和對應的擴展數據圖3共同展示了在鈣鈦礦太陽能電池中，通過改變維度結構（2D/3D或3D/2D）、配體種類以及PbI2層厚度等參數，可以系統地研究這些變化對電池性能（PCE、VOC和FF）的影響。這對于優化鈣鈦礦太陽能電池的設計和提高其性能具有重要意義。
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擴展數據圖4 | 能量對齊分析
a. 基于UPS（紫外光電子能譜）數據繪制的能級示意圖，包括ITO（氧化銦錫）基底上錨定的2PACz、三維鈣鈦礦、界面頂部和底部的二維鈣鈦礦以及C60層的能級分布。價帶頂（VBM）通過公式 hν–(E cutoff –E vbmin )計算得到。導帶底（CBM）相對于VBM的位置由以下方式確定：三維鈣鈦礦通過EQE（外量子效率）數據從補充圖8中提取帶隙Eg ≈1.53eV ，二維鈣鈦礦（n=2時，Eg≈2.1eV）則通過IPES（逆光電子能譜）測量。
b, c. UPS測量的二次電子截止邊和價帶譜圖。
d. 使用混合方法測得的n=2二維鈣鈦礦薄膜的IPES光譜。
解析
這段內容描述了鈣鈦礦太陽能電池中關鍵材料的能級排列分析，核心邏輯和科學意義如下：
1. 能級排列示意圖（圖a）
目的：展示不同功能層（如2PACz修飾的ITO、三維鈣鈦礦、二維鈣鈦礦、C60電子傳輸層）的能帶結構，確保能量對齊以優化電荷傳輸。
關鍵參數：
價帶頂（VBM）：通過紫外光電子能譜（UPS）計算得出，公式結合了光子能量（hν）、電子截止能量（Ecutoff ）和價帶最小能量（Evb，min ）。
導帶底（CBM）：三維鈣鈦礦的帶隙由實驗EQE數據確定（Eg ≈1.53eV），二維鈣鈦礦（n=2時）則由IPES直接測量帶隙（Eg ≈2.1eV）。
2. UPS與IPES的作用（圖b-d）
UPS：
二次電子截止邊（圖b）：用于確定材料的功函數（功函數 = hν−Ecutoff ）。
價帶譜（圖c）：直接反映價帶頂位置和電子態密度。
IPES（圖d）：
通過注入電子測量未占據態的電子結構，補充UPS數據，共同確定材料的導帶底位置。
3. 科學意義
能量對齊的重要性：鈣鈦礦與電極/傳輸層之間的能級匹配直接影響電荷提取效率。若導帶底（CBM）與電子傳輸層（如C60）對齊，可減少電子傳輸勢壘，提升器件開路電壓（VOC）和填充因子（FF）。
混合維度結構的優勢：
二維鈣鈦礦（n=2）的較大帶隙（2.1 eV）可能用于界面鈍化或保護三維鈣鈦礦，而三維鈣鈦礦（1.53 eV）作為光吸收主體確保寬光譜響應。
4. 與器件性能的關聯
該分析為前文提到的功率轉換效率（PCE）和穩定性提升（如擴展數據圖3）提供了物理機制支持。例如，優化的能級對齊可減少電荷復合，從而提升VOC和PCE。
總結
擴展數據圖4通過能級排列分析揭示了鈣鈦礦太陽能電池中界面工程的物理原理，將材料特性（如帶隙、功函數）與器件性能（效率、電壓）直接關聯，為設計高效穩定的混合維度鈣鈦礦器件提供了理論基礎。
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擴展數據圖5 | 雙陽離子鈣鈦礦太陽能電池的器件性能
a. 基于Cs?.??FA?.??PbI?鈣鈦礦的對照組和雙面2D/3D異質結鈣鈦礦太陽能電池的典型電流密度-電壓（J-V）曲線，反向掃描下的最高功率轉換效率（PCE）達25.2%。
b-d. 鈣鈦礦太陽能電池的統計參數：(b)功率轉換效率（PCE）、(c)開路電壓（VOC）和(d)填充因子（FF）。每種條件下的統計數據來自不同批次的50個電池。
解析
這段內容通過實驗數據對比了傳統單結構（對照組）與雙面2D/3D異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）性能差異，科學意義如下：
1. 核心實驗結果（圖a）
實驗組設計：
對照組：常規單層3D鈣鈦礦（Cs?.??FA?.??PbI?）。
實驗組：引入雙面2D/3D異質結結構（即頂部和底部界面均構建二維/三維異質結）。
性能突破：實驗組在反向掃描（反向電壓掃描）下達到最高PCE 25.2%，顯著高于對照組，表明異質結結構能有效提升器件效率。
2. 統計驗證（圖b-d）
數據規模：每種條件測試50個電池，跨不同批次，保證結果可靠性。
性能優勢：
PCE（圖b）：實驗組的PCE分布更集中且數值更高，說明工藝穩定性更好。
VOC（圖c）：開路電壓提升，表明異質結結構減少了載流子復合損失。
FF（圖d）：填充因子改善，反映電荷提取效率提升。
3. 科學機制
雙陽離子（Cs?/FA?）作用：
Cs?（銫離子）可穩定鈣鈦礦晶格，抑制相分離；FA?（甲脒離子）擴展光吸收范圍。
雙面2D/3D異質結優勢：
頂部2D層：保護3D鈣鈦礦免受環境（濕度、氧氣）侵蝕，增強穩定性。
底部2D層：優化能級對齊（如擴展數據圖4），減少界面載流子復合。
4. 與產業應用的關聯
效率閾值：25.2%的PCE已接近鈣鈦礦單結電池的理論極限（~33%），表明異質結結構可能是實現高效商業化器件的關鍵路徑之一。
規模化潛力：不同批次器件的統計一致性（50個電池）顯示該工藝具備可重復性，適合大規模生產。
總結
擴展數據圖5通過嚴謹的實驗設計和統計分析，驗證了雙面2D/3D異質結結構對雙陽離子鈣鈦礦太陽能電池性能的顯著提升。研究結果為同時實現高效率、高穩定性和可重復性提供了重要實驗依據，推動了鈣鈦礦光伏技術的產業化進程。
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擴展數據圖6 | 鈍化與缺陷態分析
a. 不同2D/3D異質結鈣鈦礦薄膜的光致發光量子產率（PLQY）結果。
b. 不同2D/3D異質結鈣鈦礦薄膜的瞬態光致發光（PL）衰減曲線。
c, d. 對照組和雙面2D/3D異質結器件的空間電荷限制電流（SCLC）測試結果：(c) 純電子器件，(d) 純空穴器件。
e. 對照組、底部2D/3D鈍化和雙面2D/3D鈍化器件的瞬態吸收光譜（TAS）分析。
解析
該圖通過多維度實驗揭示了2D/3D異質結結構對鈣鈦礦薄膜缺陷鈍化和載流子動力學的優化作用，核心分析如下：
1. 光物理性能提升（圖a-b）
PLQY（圖a）：
作用：量化材料因輻射復合（發光）與缺陷非輻射復合（熱損耗）的競爭關系，PLQY值越高，說明缺陷態越少。
結果：引入2D/3D異質結的鈣鈦礦薄膜PLQY顯著高于對照組，表明2D層有效鈍化界面缺陷，減少非輻射復合。
瞬態PL衰減（圖b）：
意義：測量光生載流子的壽命，壽命延長意味著缺陷捕獲載流子的概率降低。
結論：異質結結構的衰減時間更長，進一步驗證鈍化效果。
2. 載流子動力學優化（圖e）
TAS分析：通過測量不同時間尺度的瞬態吸收信號，揭示載流子的復合路徑。
結果：雙面2D/3D器件的載流子壽命（τ）長于對照組和僅底部鈍化器件，說明：
雙面鈍化同時抑制界面和體相缺陷；
載流子更傾向于通過電極提取而非復合損耗。
3. 與器件性能的關聯
缺陷減少（圖a-d）和載流子壽命延長（圖e）直接解釋了擴展數據圖3中開路電壓（VOC）和填充因子（FF）的提升，以及圖5中25.2%的高效率。
總結
擴展數據圖6通過光物理（PLQY、瞬態PL）、電學（SCLC）和超快光譜（TAS）多維度實驗，系統證明了2D/3D異質結結構通過缺陷鈍化和載流子動力學優化提升鈣鈦礦太陽能電池性能的機制，為界面工程的設計提供了實驗與理論依據。
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擴展數據圖7 | 穩定性與離子遷移分析
a, b. 對照組（a）和雙面鈍化鈣鈦礦薄膜（b）在不同老化時間下，甲苯溶液中碘的紫外-可見吸收光譜演變。插圖為經過100小時光熱老化后對照組與2D/3D鈣鈦礦薄膜在密封玻璃瓶中的照片對比。
c. 對照組和雙面2D/3D鈣鈦礦薄膜的溫度依賴性電導率曲線。
解析
該圖從化學穩定性和離子遷移抑制角度揭示了雙面2D/3D鈍化對鈣鈦礦薄膜的優化作用，核心邏輯如下：
1. 碘溶出實驗（圖a-b）
實驗設計：將鈣鈦礦薄膜浸泡在甲苯中，通過UV-vis監測溶液中碘（I?）的濃度隨時間變化（碘是鈣鈦礦分解的主要產物）。
結果對比：
對照組（a）：碘吸收峰強度隨老化時間顯著上升，說明未鈍化的3D鈣鈦礦在光熱應力下快速分解。
雙面鈍化組（b）：碘溶出量極低且穩定，表明2D層有效阻擋了水氧侵蝕，抑制鈣鈦礦分解。
插圖驗證：光熱老化后，對照組溶液顏色變深（高碘溶出），而雙面鈍化組保持透明，直觀驗證穩定性提升。
2. 溫度依賴性電導率（圖c）
測試意義：鈣鈦礦的離子遷移（如I?、Pb²?）與其電導率隨溫度的變化相關，活化能（Ea）越高，離子遷移越困難。
3. 科學關聯性
與器件穩定性的聯系：
碘溶出減少（圖a-b）說明材料化學穩定性提升，可關聯正文中雙面鈍化器件的長期老化測試（如濕熱或光照下的T80壽命延長）。
離子遷移抑制（圖c）解釋了器件在運行中遲滯效應降低（如擴展數據圖5中J-V曲線滯后減少）和開路電壓的穩定性。
機理深化：2D層通過以下途徑發揮作用：
物理屏障：2D鈣鈦礦致密的結構阻擋外部水氧滲透（圖a-b插圖的視覺證據）。
化學錨定：2D層的有機配體可能通過鈍化未配位Pb²?缺陷（擴展數據圖6的PLQY結果），減少內部離子遷移驅動力。
擴展數據圖7通過碘溶出動力學和電導率溫度依賴實驗，從分解抑制和離子遷移抑制兩個維度驗證了雙面2D/3D鈍化策略對鈣鈦礦穩定性的顯著提升。這一結果為解決鈣鈦礦太陽能電池的化學不穩定性和離子遷移瓶頸提供了直接實驗證據，支持了前文高效率器件的長期可靠性。
PSCs因其成本效益和高效性，迅速成為備受認可的光伏技術。本文全面分析了PSCs的發展，強調了維度多樣性（從0D到3D結構）的重要性，并探討了混合維度集成在提高穩定性和性能方面的潛在優勢。現代技術已用于精確優化鈣鈦礦材料，包括鈍化、界面工程和晶體生長控制，顯著提高了長期穩定性和整體效率。未來研究應繼續關注穩定性、效率、可擴展性、毒性和長期性能，以實現PSCs作為清潔高效可再生能源的全面應用。https://doi.org/10.1038/s41586-024-07189-3
轉自《石墨烯研究》公眾號
