二维/三维( 2D / 3D )钙钛矿双层异质结构可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和性能。2D夹层可以钝化缺陷，控制电荷传输，产生内置电势，防止外部环境侵入，并阻止离子迁移。

然而，2D钙钛矿相提高太阳能电池稳定性主要存在以下问题：

1、2D夹层结构可能发生演变，进而失去其功能

为了保持其在钝化缺陷、控制电荷传输、产生内置电势、防止外部环境侵入以及阻止离子迁移等方面的优势，2D夹层必须保持稳定。然而，实际应用中，2D夹层可能在结构或组成上发生演变，从而失去其功能性。

2、明确2D夹层的结构演变过程对其稳定性提高至关重要

2D夹层在长期使用过程中可能会逐渐失去其功能性，这种功能退化可能是由于材料的化学或物理性质随时间变化，或者受到外部环境（如湿度、温度）的影响，明确其结构演变过程对于提高2D夹层的稳定性至关重要。

研究成果

有鉴于此，麻省理工学院Moungi G. Bawendi、美国国家可再生能源实验室朱凯等人证明了器件中的2D/3D钙钛矿叠层在其寿命终结分解过程中是动态演化的。初始纯相的2D中间层可以发生不同的演化，从而导致不同的器件稳定性。啧啧啧表明，使用混合溶剂可以形成坚固的2D中间层，以调节其结晶度和相纯度。最终得到的2D / 3D器件实现了25.9 %的效率，并且具有良好的耐久性，在85 °C下使用最大功率点跟踪1074小时后保留了91 %的初始性能。

技术方案

技术方案：

1、探讨了2D/3D钙钛矿的形成动力学

作者通过GIWAXS技术揭示了2D/3D钙钛矿的形成动力学，发现引入MA和特定混合溶剂可自发形成高结晶度的纯2D (n = 2)相，显著提升载流子寿命。

2、分析了2D/3D钙钛矿的能带排列、形貌、电势分布以及载流子动力学

作者发现OcMA:S 2D/3D钙钛矿形成有利的II型能带排列，促进空穴提取。其高结晶度的2D中间层使电势分布更均匀，载流子扩散效率更高，且主要局限于表面，对3D钙钛矿体扩散影响小，显著提升器件性能。

3、比较了基于不同2D/3D钙钛矿的器件性能

研究发现，2D/3D钙钛矿器件的性能和稳定性随2D相纯度和结晶度提升而增加，OcMA:S器件表现最佳，PCE达25.9%且稳定性优异。

4、强调了获得稳定2D夹层的重要性

研究表明OcMA:S器件的2D夹层在2500小时光照后仍稳定，有效钝化缺陷并抑制离子迁移，凸显了稳定2D夹层的重要性。

技术优势：

1、 揭示了2D夹层在光照下的动态演化过程

本研究发现2D夹层在长期光照下会发生动态演化，纯相2D夹层可以经历不同的演化路径。这一发现揭示了2D夹层在光照下的不稳定性，为后续改进提供了理论依据。

2、开发了一种耐用的2D夹层结构

作者开发了一种新的耐用2D夹层结构。通过引入过量的PbI₂，不仅促进了2D相的形成，还提高了相纯度和结晶度。这种改进的2D夹层能够有效抑制2D相的退化，从而显著提高器件的光稳定性和长期性能。

研究内容

1、2D夹层形成研究

作者通过时间分辨的原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）技术，深入探讨了2D/3D钙钛矿的形成动力学。实验发现，初始相由2D (n=1) 钙钛矿和未反应的PbI₂组成，退火过程中PbI₂未完全消耗，导致最终膜中存在PbI₂、2D (n = 1) 和2D (n = 2) 的混合相。通过引入甲基铵（MA）和不同的混合溶剂，发现OcMA:S组合能够自发形成高结晶度的纯2D (n = 2) 钙钛矿相，且无未反应的PbI₂残留。这种高结晶度的2D相显著提升了载流子寿命，达到4205 ns，比裸3D膜增加了394%。此外，理论计算表明，2D相的形成涉及3D钙钛矿表面的部分溶解和重结晶，更强的溶剂相互作用有助于这一过程。MA在初始阶段促进2D (n = 2) 相的形成，随后挥发并被FA取代，进一步提高结晶度。这些发现为优化2D钙钛矿相的形成和性能提供了重要指导。

图. 2D钙钛矿的形成和结晶度

2、晶粒势均匀化和电子结构

通过多种技术手段分析了2D/3D钙钛矿的能带排列、形貌、电势分布以及载流子动力学。紫外光电子能谱显示，Oc 2D/3D钙钛矿形成I型能带排列，阻碍空穴提取；而OcMA:S 2D/3D钙钛矿形成II型排列，有利于空穴提取。AFM未观察到明显形貌差异，但KPFM显示OcMA:S膜具有更均匀的晶粒内电势分布，表明其高结晶度的纯相2D (n = 2)中间层减少了电势波动。瞬态反射光谱（TRS）表明，OcMA:S膜的载流子从2D/3D界面扩散效率更高，表面电势分布更均匀，非辐射复合减少。时间分辨微波传导率（TRMC）显示OcMA:S膜的载流子寿命略有提高，表明2D钙钛矿对整体3D钙钛矿影响较小。截面扫描电子显微镜（SEM）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析表明，2D钙钛矿主要局限于3D钙钛矿表面，未发生明显体扩散。这些结果揭示了2D中间层在提升器件性能中的关键作用。

图. 扩展到不同的2D制造系统、潜在的均匀性和载流子动力学

3、设备表征

作者比较了基于不同2D/3D钙钛矿的器件性能，发现功率转换效率（PCE）从裸露的3D到OcMA:S器件依次增加，主要由于开路电压和填充因子的提升。OcMA:S器件基于化学浴沉积的SnO₂（CBD-SnO₂）实现了25.9%的最高PCE，且滞后最小。在全光谱1-sun AM 1.5G光照下，OcMA:S器件表现出卓越的稳定性，1700小时后仍保持96.4%的初始PCE，而对照Oc装置500小时后降至74.1%。OcMA:PC和OcMA:F装置的稳定性介于两者之间。研究还发现，2D中间层和过量PbI₂的相互作用对稳定性和高PCE至关重要，且无2D夹层的单独溶剂无法提升稳定性。此外，使用不含吸湿性掺杂剂的spiro-MeOTAD，OcMA:S器件在高温下展现出优异的热稳定性，85°C下1074小时光照后仍保持91%的初始性能，与最先进的反向p-i-n器件相当。

图. 设备性能和稳定性

4、稳定的2D夹层

研究发现，对照Oc器件在光照下失去大部分2D夹层，而裸露的3D钙钛矿未分解，表明2D夹层的不稳定性限制了2D/3D Oc装置的耐久性。目标OcMA:S器件的2D (n = 2)相在结构和热力学上非常稳定，超过2500小时光照后，2D夹层依然完好，有效钝化缺陷并抑制离子迁移。OcMA:PC和OcMA:F装置的2D (n = 2)相在光照下转变为2D (n = 1)相，但未进一步分解为PbI₂。实验表明，这种转变并非由过量PbI₂引起，且“OcMA:S无过量”装置在相同条件下表现出良好耐久性。该策略还适用于其他间隔有机配体的2D夹层，强调了获得稳定2D夹层的重要性。

图. 2D钙钛矿中间层的演变

展望

用于3D钙钛矿的坚固的、纯相的二维( 2D )钝化层可以稳定太阳能电池在紫外线照射下的稳定性。本研究发现，使用混合溶剂(二甲基亚砜和异丙醇)形成的基于辛基铵和甲胺阳离子的2D夹层自发地形成了具有高结晶度的纯相2D钙钛矿。基于这些2D或3D钙钛矿双分子层的太阳能电池在最大功率点跟踪下，在85 °C下经过1074小时后，功率转换效率为25.9 %，并保留了91 %的初始性能。