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钙钛矿太阳能电池（PSCs）技术作为下一代光伏革命的核心方向，正加速突破"效率-稳定性"的产业瓶颈。当前实验室三维（3D）钙钛矿电池效率已突破27%，但受制于较低的环境稳定性。二维（2D）钙钛矿电池虽具备显著的稳定性优势，却面临有机基团阻隔电荷传输的固有缺陷。 准二维（quasi-2D）钙钛矿是一种介于3D与2D钙钛矿之间的一种特殊结构钙钛矿材料，其优良的光电特性以及更高的环境稳定性在电池用应用中显示出巨大的潜力。通常二维钙钛矿中存在多相共存，其不同排布影响了电池器件的性能。目前，对准二维钙钛矿中量子阱分布的调控机制及其对器件性能的影响尚缺乏系统深入的研究，因此，如何认识其内部量子阱排列对载流子传输的影响，进而对其操控是实现效率与稳定性提升的关键。
近日，大连理工大学魏一研究团队提出了一种通过操控量子阱排列实现高性能准二维钙钛矿器件的方法，破解了二维钙钛矿"高稳定低效率"的固有难题。常规溶液法制备的quasi-2D薄膜内的相通常呈现出n值广分布、高n与低n值组分严重分离的特点，导致载流子传输受阻。该工作采用1, 4-cyclohexanedimethanamine（CDMA）作为间隔阳离子，从结晶动力学入手控制其有利量子阱组分形成条件，使量子阱从宽n相分布(n=1, 2, 3 ~∞），转而集中分布在高n相，从而降低晶格应力和缺陷态，促进电荷传输，最终实现了提高稳定的同时，更进一步提高其效率。 文中系统阐述了quasi-2D钙钛矿材料中量子阱的n值分布和空间排列对钙钛矿薄膜的结构、光电性能，特别是电荷输运性能的影响。实验结果表明，通过条件控制，DJ型钙钛矿中体积庞大的CDMA二铵阳离子桥接在两侧的无机层上，形成大尺寸的胶体，减慢了成核和结晶，使钙钛矿膜富含高n相量子阱，有利于降低晶格应变，减少缺陷态，从而促进载流子传输。最终，在空气中制备的CDMA基quasi-2D PSCs取得了19.02%的效率，在45%-85%RH的空气环境中历经5000小时后仍保留92%的初始效率。 该论文以“Quantum Well Engineering in Quasi-2D Perovskites Unlocks Efficiency-Stability Synergy for Photovoltaics”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。
研究中采用1, 4-cyclohexanedimethanamine （CDMA）和cyclohexanemethylamine （CMA）作为间隔阳离子制备了quasi-2D钙钛矿薄膜进行了对比研究。由从正、反面激发得到的PL和TA光谱可知CMA-MA内部具有n值分散的量子阱分布，且在空间上呈阶梯排布（低n相量子阱分别在钙钛矿薄膜上方，类3D相量子阱分布在钙钛矿薄膜下方），而CDMA-MA薄膜内量子阱主要集中在高n相，且高n相在薄膜垂直方向上均匀分布。通过分析瞬态吸收动力学曲线得知，CMA-MA膜中3D相的形成时间τet （58.44 ps）明显长于CDMA-MA中的高n相（5.57 ps）,证明均匀、集中的高n相量子阱有助于载流子的快速输运。
图1. CMA-MA和CDMA-MA基薄膜的晶体结构和光学性质。（a）以CMA-MA和CDMA-MA为代表的Ruddlesden-Popper（R-P）和Dion-Jacobson（D-J）型钙钛矿晶体结构示意图。（b）从CMA-MA和CDMA-MA的正面和背面激发的PL光谱。不同延迟时间下的TA光谱：CMA-MA薄膜在（c）正面激发和（d）背面激发下的瞬态吸收光谱，以及CDMA-MA薄膜在（e）正面激发和（f）背面激发下的TA光谱。根据从正面激发（g）CMA-MA和（h）CDMA-MA薄膜的基态漂白（GSB）峰中提取的TA光谱。
为了进一步探究量子阱分布对钙钛矿薄膜晶体结构的影响，如图2所示，分别对CDMA-MA和CMA-MA进程XRD和GIXRD测试。结果表明，CDMA-MA具有更高的结晶度和增强的面外取向。此外，CDMA-MA薄膜中的更集中的相分布和均匀的空间排列使晶格失配最小化，有效地使薄膜中的晶格应变降低到最低水平。
图2. CMA-FAMA和CDMA-FAMA薄膜的XRD和GIXRD分析。（a）CMA-FAMA和CDMA-FAMA样品的XRD图谱。（插图：XRD图谱在约7.8°（左）和14.2°（右）处的放大图）。（b）CMA-FAMA和（c）CDMA-FAMA薄膜的深度相关的GIXRD图谱。（d）CMA-FAMA和CDMA-FAMA膜的d间距值与GIXRD入射角的关系图。（e）CMA-FAMA和CDMA-FAMA薄膜中晶相排列的示意图。
如图3所示，对CDMA-FAMA和CMA-FAMA quasi-2D PSCs进行光电性能测试。结果表明，由于CDMA-FAMA内部均匀、集中的量子阱分布提高了薄膜的结晶质量，降低了缺陷态、残余应变和能级势垒，加速了载流子传输、抑制电荷复合，使空气中制备的CDMA-FAMA quasi-2D PSCs的冠军效率达到了19.02%。
图3. CDMA-FAMA和CMA-FAMA quasi-2D PSCs的光电性能对比。（a）器件结构示意图，显示CMA-FAMA和CDMA-FAMA结构中钙钛矿层内的量子阱(QW)分布及其相应的能带结构。在CMA-FAMA中，由于量子阱和能带尾态之间的能级差异较大，电子和空穴在传输过程中会损失能量。而CDMA-FAMA则具有较为平坦的能量景观，有助于电子和空穴的高效传输。（b）基于CDMA-FAMA电池的SEM截面图。（c）在AM 1.5G照射下，CDMA-FAMA PSCs的J-V曲线。（d）CMA-FAMA和CDMA-FAMA钙钛矿太阳能电池PCE直方图，数据基于每组25个电池的测量结果。（e）CMA-FAMA和CDMA-FAMA冠军器件的IPCE曲线。（f）CDMA-FAMA在最大功率点（MPP）下的稳定功率输出。（g）CDMA-FAMA和CMA-FAMA钙钛矿薄膜的载流子迁移率和陷阱密度。
如图4所示，在RH = 45-85%的空气环境中储存5000小时后，基于CDMA的未封装器件仍保留了初始效率的92%，明显优于CMA-FAMA PSCs（82%）。稳定性的提高可以归因于3D相比例和残余应变的减少及缺陷态密度的显著降低。
图4. CDMA-FAMA、CMA-FAMA、PEA-MA和3D-FAMA薄膜及器件的长期稳定性测试。（a）CDMA-FAMA,（b）CMA-FAMA,（c）PEA-MA和（d）3D-FAMA钙钛矿薄膜在RH=45%-85%湿度环境中分别保存264天和198天前后的XRD图谱对比。（e）CDMA-FAMA, CMA-FAMA, PEA-MA和3D-FAMA的未封装器件的环境稳定性测试。样品持续暴露于45%-85%RH的空气环境中5000小时。
该工作探究了钙钛矿薄膜中量子阱的分布和空间排列对钙钛矿材料的晶格结构、光电性能，特别是电荷输运性能的影响。结果表明高n相量子阱的均匀分布有助于提高薄膜结晶质量、降低残余应力和缺陷态、优化能级排列，从而促进电荷传输、降低能量损失，大幅度提高器件的光伏性能。因此，这一方法能够使钙钛矿电池在保持高稳定优势的基础上，使效率得到进一步突破，最终实现“稳定性与效率”同步提升。 文章信息 Quantum Well Engineering in Quasi-2D Perovskites Unlocks Efficiency-Stability Synergy for Photovoltaics Jingwei Mao1, Yi Wei1,*, Ying Ding, Yufeng Liu, Junhui Wang, Kaifeng Wu, Zijian Deng, Ze Yu, Yefu Liu*, and Huolin Huang Journal of Energy Chemistry DOI: 10.1016/j.jechem.2025.07.085
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