在当前的太阳能技术领域，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电转换效率（PCE）和稳定的性能而受到广泛关注。特别是采用倒置（p-i-n）结构的钙钛矿太阳能电池，因其在高温处理、环境适应性和与叠层器件的兼容性方面展现出巨大潜力，被认为是未来最具前景的光伏技术之一。然而，尽管最新的倒置结构钙钛矿太阳能电池的认证效率已达到27%，其商业化仍面临诸多挑战，尤其是在户外长期使用中对热稳定性的要求。为了克服这些限制，研究者们致力于开发具有更高稳定性和更优性能的钙钛矿材料，其中，不含甲基铵（MA）的纯碘型钙钛矿材料，如CsₓFA₁₋ₓPbI₃，因其在保持高效率的同时，具有更佳的热稳定性，成为研究的重点。
在制备高质量钙钛矿薄膜的过程中，晶体取向和界面结构的优化至关重要。钙钛矿材料的多晶特性意味着其生长过程中，不同晶面的暴露程度会影响最终薄膜的性能和稳定性。例如，理论计算表明，（110）和（111）晶面由于存在大量悬键，容易引入缺陷和陷阱态，从而影响载流子的迁移效率。相比之下，（001）晶面则具有较少的缺陷，且其载流子迁移率较高，同时其激子结合能较低，有利于载流子在薄膜中的产生与传输。因此，调控钙钛矿材料的生长取向，使其以（001）晶面为主导，成为提升钙钛矿太阳能电池性能的关键策略之一。
目前，研究者们主要通过配体工程、成分调控和反应条件的优化来实现对钙钛矿晶体取向的精细控制。配体工程是其中一种常用手段，尤其是基于铵基功能团（如MA⁺、OAm⁺和PEA⁺）的配体，已被证明可以有效引导钙钛矿材料的定向生长。这些配体在不同晶面上的吸附能力不同，从而影响其生长动力学，最终决定薄膜的主导晶面。例如，Chen等人通过研究发现，MA⁺在形成MA₂(DMF)₂Pb₃I₈中间相的过程中起着关键作用，进而促进最终钙钛矿薄膜的（001）晶面定向生长，减少晶格异质性，提高材料的均匀性和稳定性。因此，设计一种新型的配体，能够实现对钙钛矿材料的定向生长和界面能级调控，是当前研究的重要方向。
然而，传统的铵基配体如MA⁺在提升钙钛矿稳定性方面存在一定的局限性。一方面，它们会增加钙钛矿的带隙，从而降低光吸收效率；另一方面，其稳定性较差，容易在光照或湿热环境下发生分解，影响器件的长期性能。因此，研究者们开始探索替代性的配体，以实现对钙钛矿材料的稳定调控，同时避免引入不稳定的成分。在此背景下，一种基于酰胺基的新型配体——4-羧酰胺基吗啉盐酸盐（M4CH）被引入到钙钛矿前驱体中，以实现对钙钛矿薄膜的定向生长和界面能级的优化。
M4CH分子的结构使其具备独特的功能。其一端具有电正性的FA⁺“头部”，另一端则具有电负性的醚基“尾部”，这使得M4CH能够通过强的配位作用和氢键相互作用与钙钛矿前驱体中的离子相互作用。这种相互作用不仅有助于形成稳定的胶体簇，延缓钙钛矿的结晶过程，从而实现更均匀的薄膜生长，而且能够促进（001）晶面的主导取向。实验结果表明，M4CH分子在钙钛矿（001）晶面上具有最高的吸附能量，这导致其在结晶过程中优先吸附于该晶面，从而引导钙钛矿材料以（001）晶面为主导进行生长，减少晶格异质性，提高材料的结晶质量。
除了调控晶体取向，M4CH还能够在钙钛矿薄膜的埋界面处富集，形成正电偶极层。这一特性对于提升载流子的提取和传输效率至关重要。埋界面是钙钛矿太阳能电池中一个非常关键的部分，因为它连接着钙钛矿层和空穴传输层（HTL），影响着载流子的复合行为。由于埋界面通常处于材料内部，不直接暴露于外界环境，因此对其研究相对较少。然而，其对器件性能的影响却不容忽视。在倒置结构的钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿薄膜沉积在HTL上，但由于前驱体中高沸点的二甲基亚砜（DMSO）在干燥过程中容易挥发，导致薄膜中出现空洞和非晶区域，从而引发非辐射复合，降低器件的效率。此外，常用的自组装单层（SAMs）如Me-4PACz由于其较差的润湿性，难以实现对钙钛矿薄膜的完整覆盖，进而导致载流子提取效率下降和泄漏电流增加。
为了解决这些问题，研究者们提出通过引入具有强偶极特性的分子，来调控埋界面的能级分布，从而提升载流子的提取和传输效率。M4CH分子正是这样一个理想的候选者。其在钙钛矿前驱体中的引入，使得其能够在沉积过程中富集于埋界面，形成正电偶极层。这一偶极层有助于调节界面电势，减少载流子在界面处的复合损失，提高载流子的提取效率。通过紫外光电子能谱（UPS）和截面凯尔文探针力显微镜（KPFM）的测试结果，进一步验证了M4CH分子在埋界面处形成的偶极层对载流子提取的积极作用。
实验结果表明，使用M4CH作为添加剂的倒置结构钙钛矿太阳能电池在性能上取得了显著提升。其最高光电转换效率达到了24.52%，并且具有极高的开路电压（Voc）为1.181 V。这一效率和电压水平远超传统钙钛矿太阳能电池的性能指标，显示出M4CH在提升器件性能方面的巨大潜力。此外，该电池在热稳定性和环境适应性方面也表现出色，能够在较高温度和湿度条件下保持良好的性能，这为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了有力支持。
在大规模模块（PSMs）的制备方面，M4CH同样展现出良好的应用前景。研究团队成功将M4CH引入到大面积的钙钛矿太阳能模块中，其面积达到642 cm²。该模块的光电转换效率达到了18.54%（认证效率为18.48%），这一效率水平在目前的大规模倒置结构钙钛矿太阳能模块中处于领先地位。这表明，M4CH不仅能够有效提升小面积器件的性能，还能够在大规模生产中保持优异的稳定性，为钙钛矿太阳能电池的工业化应用奠定了基础。
M4CH的引入不仅优化了钙钛矿薄膜的生长取向，还有效调控了埋界面的能级分布，从而提升了载流子的提取效率和传输能力。这一双重调控策略显著提高了钙钛矿太阳能电池的整体性能，使其在效率、稳定性、环境适应性等方面均达到较高水平。同时，M4CH的使用也避免了传统铵基配体所带来的稳定性问题，使得钙钛矿太阳能电池在更广泛的环境条件下保持良好的工作状态。
此外，M4CH的引入还促进了钙钛矿太阳能电池的规模化生产。在实验过程中，研究团队通过调整前驱体的配比和沉积条件，成功实现了M4CH在大面积模块中的均匀分布。这一过程不仅提高了薄膜的结晶质量，还确保了埋界面处偶极层的形成，从而提升器件的整体性能。通过一系列的表征手段，如X射线衍射（XRD）、广角X射线衍射（GIWAXS）和电化学测试，进一步验证了M4CH在钙钛矿太阳能电池中的作用机制。这些测试结果表明，M4CH能够有效引导钙钛矿材料的定向生长，并在埋界面处形成稳定的偶极层，从而提升载流子的提取效率和传输能力。
综上所述，M4CH作为一种新型的酰胺基配体，在钙钛矿太阳能电池的制备过程中展现出重要的应用价值。其独特的分子结构使其能够同时调控钙钛矿薄膜的生长取向和埋界面的能级分布，从而显著提升器件的光电转换效率和稳定性。这一成果不仅为钙钛矿太阳能电池的进一步优化提供了新的思路，也为其实现商业化应用奠定了坚实基础。未来，随着对M4CH作用机制的深入研究和其在更大规模模块中的应用探索，钙钛矿太阳能电池有望在更广泛的领域中发挥重要作用，推动清洁能源技术的发展。
