在当今能源领域，太阳能作为一种清洁、可再生能源，备受关注。而钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其高吸收系数、长载流子扩散长度、低激子结合能以及可大规模溶液制备等优势，成为了光伏技术中的 “潜力股”。其中，倒置（p-i-n 结构）PSCs 在自组装单分子层（SAMs）技术的助力下，在光电转换效率（PCE）和器件稳定性方面超越了常规（n-i-p 结构）PSCs 。然而，发展之路并非一帆风顺。目前，PSCs 的进一步发展受到了钙钛矿埋入界面处载流子传输和复合问题的严重制约。
以往研究中，虽然通过多种策略，如溶剂清洗、Co-SAM 策略以及调整 SAMs 分子结构等来改善 PSCs 性能，但大多聚焦于分子排列和偶极矩，却忽视了整体界面偶极的偏转方向。要知道，界面偶极方向会影响衬底表面和埋入钙钛矿薄膜的物理性质，比如功函数，而且埋入钙钛矿的 n 型特性会阻碍载流子传输、加剧界面载流子复合，偶极方向的失配更是雪上加霜。所以，如何通过简单有效的策略获得最佳偶极方向和更大界面偶极矩，以进一步提升倒置 PSCs 的效率和可重复性，成为了科研人员亟待攻克的难题。
为了解决这些问题，成都理工大学材料与化学化工学院以及四川大学化学工程学院和高分子材料工程国家重点实验室的研究人员展开了深入研究。他们提出了一种界面偶极化学桥策略，将 2-(二苯基膦基) 乙酸（2DPAA）引入钙钛矿的埋入界面来重构界面偶极。研究发现，2DPAA 能有效增大界面偶极矩至 5.10 D，并优化为正偶极取向。基于此，研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了密度泛函理论（DFT）、开尔文探针力显微镜（KPFM）、紫外光电子能谱（UPS）结合紫外 - 可见吸收光谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X 射线光电子能谱（XPS）等技术方法。通过 DFT 计算分子的静电势、总系统能量等，从理论上分析分子特性和界面偶极变化；利用 KPFM 探测表面电位振动；借助 UPS 和紫外 - 可见吸收光谱研究界面能带排列；运用 FT-IR 和 XPS 等手段证实 2DPAA 与相关物质的相互作用 。
界面偶极重构的影响
研究人员通过 DFT 计算发现，2DPAA 的羧基（-COOH）和 P 原子等富电子单元呈现负静电势（ESP），其与底物表面的 Me-4PACz 结合后，界面偶极矩从 1.61 D 提升到 5.10 D，偶极方向变为指向钙钛矿薄膜的垂直正方向。通过计算不同偶极排列条件下的总系统能量和能量差，结合 X 射线反射率（XRR）测量，表明 2DPAA 能使界面偶极从初始的负方向转变为正方向。KPFM 测量显示，经 2DPAA 处理的样品功函数更大、p 型特征更强，表面电位分布更均匀。UPS 和紫外 - 可见吸收光谱研究表明，2DPAA 处理后的样品表面更具 p 型特征，有利于界面能带排列和空穴传输。FT-IR、XPS、高分辨率质谱（HRMS）以及原子力显微镜 - 红外光谱（AFM-IR）等多种表征手段证实了 2DPAA 与 Me-4PACz 和钙钛矿之间发生了相互作用，成功重构了界面偶极 。
钙钛矿薄膜的形貌和结晶度
原位紫外 - 可见吸收光谱研究表明，2DPAA 处理后的样品在饱和沉淀结晶过程中成核速率显著降低，有利于形成更大晶粒尺寸和更低多余 PbI2含量的薄膜。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）图像显示，2DPAA 处理后的钙钛矿薄膜无论是埋入界面还是顶部薄膜，晶粒尺寸都更大、粗糙度更小。深度分辨掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）和掠入射 X 射线衍射（GIXRD）结果表明，2DPAA 处理后的钙钛矿薄膜结晶度提高，晶体取向沿（110）晶面，且表面残余应力得到有效释放 。
光伏性能
研究人员使用带隙为 1.55 eV 的钙钛矿制备倒置 PSCs，发现 2DPAA 的最佳浓度为 0.5 mg/mL 。在此浓度下，器件的 PCE 从对照组的 24.02% 显著提升至 26.53%（认证值 26.02% ），开路电压（VOC）从 1.147 V 提升到 1.197 V，短路电流（JSC）从 25.89 mA/cm2提升到 25.94 mA/cm2，填充因子（FF）从 80.88% 提升到 85.43%，滞后效应指数（HEI）从 12.4% 降至 4.2%。此外，该策略应用于宽带隙（1.68 eV）和大面积（1 cm2）器件时，PCE 分别达到 22.02% 和 24.11%。通过多种测试手段分析发现，2DPAA 处理后的器件光伏性能提升主要归因于优化的界面偶极矩和取向促进了空穴传输、抑制了非辐射复合、释放了残余应力并诱导形成了高质量钙钛矿薄膜 。
钙钛矿薄膜和器件的稳定性
与对照组相比，2DPAA 处理后的钙钛矿薄膜表面水接触角增大，在湿度 60% - 80%、温度 25℃环境下放置 7 天仍保持黑色相，而对照组薄膜已完全降解。2DPAA 处理后的器件离子迁移活化能（Ea）为 1.51 eV，高于对照组的 1.03 eV，抑制了离子迁移。未封装的 2DPAA 处理器件在氮气手套箱中储存 1200 h 后，初始效率保留 95.4%；在 85℃热稳定性测试中，效率保留 81.2%；在连续最大功率点跟踪（MPP）测试中，1200 h 后效率保留 94.3%，均优于对照组 。
研究表明，通过 2DPAA 重构界面偶极的策略能有效优化界面偶极矩和取向，加速垂直空穴传输，抑制非辐射复合，诱导高质量钙钛矿薄膜形成，显著提升了倒置 PSCs 的光伏性能和稳定性。该研究不仅为高效稳定的倒置 PSCs 发展提供了新的思路和方法，也进一步揭示了界面偶极在 PSCs 中的重要作用，对推动钙钛矿太阳能电池领域的发展具有重要意义。
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