通过NEAI调控锡基钙钛矿结晶动力学实现高效太阳能电池【科学指南针·计算支持·2025】

本文基于《Angewandte Chemie International Edition》发表的最新研究，探讨了通过引入2-（萘-2-基）氢碘乙胺（NEAI）优化两步沉积法制备锡基钙钛矿薄膜的结晶动力学过程。科学指南针为研究提供了部分计算支持，助力实验机理深度解析。

研究背景与锡基钙钛矿挑战

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PVSCs）由于其优异的光电特性而得到蓬勃发展。然而，铅基PVSCs的广泛应用不能忽视其对人类健康和环境的潜在危害。作为候选材料，毒性较小的锡基钙钛矿（Tin-Based Perovskite）由于其与铅基钙钛矿相当的优异光电性能和更合适的光学带隙而成为最有前途的材料。

与Pb²⁺的惰性6s电子对相比，Sn²⁺具有两个活跃的5s电子对，具有更高的Lewis酸度，这使得锡基钙钛矿膜结晶速度相对较快，且缺陷丰富，易于氧化。然而，对锡基钙钛矿在两步沉积法中的结晶调制研究不足，留下了许多尚未解决的问题，影响了晶体质量。结晶过程不可控导致晶体取向紊乱是导致TPVSCs性能低下的重要原因。缺陷态密度随暴露晶面的不同而变化，这些缺陷既是电荷重组中心，也是降解位点，阻碍了锡基钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的提高。

创新方法：NEAI诱导准外延生长

本研究创新性地引入NEAI（2-（萘-2-基）乙胺氢碘酸盐）添加剂，通过预形成2D NEA₂SnI₄模板，调控3D FASnI₃的外延生长。

模板机制的核心优势：​​

• NEAI与SnI₂反应形成NEA₂SnI₄，延缓结晶动力学

• 非自发模板生长优化晶体取向，减少晶格失配

• π共轭效应增强分子相互作用，促进（100）优势面形成

该方法通过调控结晶动力学，解决了锡基钙钛矿在两步沉积法中的关键问题。

实验验证与动力学分析

实验通过多种表征手段验证NEAI的效果，科学指南针提供的计算支持为缺陷形成能和表面能计算提供了关键数据。

三维钙钛矿显示NEAI改性样品具有最强的（100）晶面衍射强度。DFT计算揭示（100）晶面各类缺陷形成能最高，因此促进（100）晶面的择优生长有利于降低钙钛矿薄膜的缺陷态密度。

原位UV-Vis显示NEAI使结晶起始时间延迟，并延长整体结晶窗口时间，而NEA₂FASn₂I₇向最终FASnI₃转变能垒高于PEA₂FASn₂I₇，导致延缓的结晶过程。深度GIXRD应力分析表明NEAI薄膜晶格畸变减小，归因于缓慢结晶释放应变。

DFT计算揭示NEAI使（100）晶面表面能显著降低，从而减少外部因素对活性表面的入侵进而提升钙钛矿薄膜稳定性。GIWAXS图显示NEAI样品在（100）晶面散射环中出现强度凸出的布拉格斑点（q=1.0 Å⁻¹），证实（100）晶面沿面外方向的高度有序排列。表面SEM图片展现NEAI处理薄膜减少的晶界分布及消除的针孔，证实结晶质量的提升。UPS及KPFM阐明对能级排列的优化，促进了空穴的有效提取。

器件性能与缺陷抑制分析

XPS显示不利Sn⁴⁺含量从26.2%降至7.99%。SCLC估算的缺陷态密度显著降低到9.27×10¹⁵ cm⁻³（对照组1.75×10¹⁶ cm⁻³）。制备大面积薄膜测试显示不同位置PL强度偏差<5%，且强度显著提升，证实NEAI处理的钙钛矿薄膜的良好均匀性及对缺陷态的有效抑制。

NEAI改性器件实现效率14.03%（0.04 cm²）。85°C老化200小时后保持95%效率，氮气环境储存3000小时效率后仍保持94.7%初始效率。