IF50.5｜氨基酸盐调控锡铅钙钛矿前驱体溶液实现高效多结光伏

通过氨基酸盐同时调控溶液胶体性质和薄膜结晶，锡铅钙钛矿太阳能电池效率大幅提升。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

多结光伏电池通过集成多个不同带隙的吸收层，可突破单结电池的辐射极限，理论效率可达45%以上。全钙钛矿叠层电池因其带隙可调、可单片集成等优势成为研究热点。然而，窄带隙锡铅钙钛矿（Eg≈1.25 eV）作为多结电池的关键组成部分，面临Sn(II)易氧化、结晶动力学难以控制等挑战。此前研究多集中于添加剂抑制Sn(II)氧化或表面修饰，对前驱体溶液化学及其对结晶和薄膜性质的影响理解有限。

科学问题

卡在哪里： 尽管氨基酸盐（如甘氨酸盐酸盐）已被用于改善器件性能，但其作用机制尚不明确，且如何进一步优化该策略缺乏指导。此外，前驱体溶液中不同官能团（铵基、羧基）对胶体性质、结晶过程和薄膜光电性能的独立贡献尚未被系统解耦。

本文要回答： 本文旨在从溶液化学角度阐明氨基酸盐的作用机制，并比较单独含铵基、羧基或两者兼具的分子对锡铅钙钛矿前驱体溶液和薄膜性质的影响，从而指导高效多结光伏器件的制备。

技术路线

作者主要用了：NMR、DFT计算、DLS、SEM、GIWAXS、ToF-SIMS、PLQE、TRPL、器件表征。

作者选取三种结构相似但官能团不同的分子：苯乙胺盐酸盐（PEA，仅含铵基）、3-苯基丙酸（PPA，仅含羧基）和L-苯丙氨酸盐酸盐（PhA，同时含铵基和羧基）。首先利用溶液核磁共振（1H、119Sn、207Pb NMR）和DFT计算研究这些添加剂与前驱体组分的相互作用，发现Sn(II)物种主导相互作用，且氨基酸盐能同时与多种组分发生协同作用。随后通过动态光散射（DLS）监测前驱体溶液胶体性质随时间的变化，揭示氨基酸盐对胶体稳定性的影响。接着制备薄膜，利用SEM、GIWAXS、ToF-SIMS等手段表征形貌、结晶和添加剂分布，并结合光致发光量子效率（PLQE）和时间分辨光致发光（TRPL）评估光电性能。最后将优化后的锡铅钙钛矿用于单结及多结器件，验证其性能提升。

图 1　Fig. 1。图1展示了前驱体溶液化学研究。a部分1H NMR谱显示PhA与MAI、FAI混合时其铵基和羧基质子信号向高场移动，表明形成氢键；与CsI混合时位移较小。b部分119Sn NMR显示添加PEA或PPA后Sn信号向低场移动，而PhA引起的位移更大，207Pb信号几乎不变，说明Sn(II)是主要作用位点。c部分DFT计算给出了PhA与MAI、FAI、SnI2的相互作用构型和能量，显示PhA与SnI2结合最强。d部分DLS显示PhA溶液胶体粒径分布随时间变化更稳定。

核心亮点

亮点 1｜Sn(II)主导前驱体溶液相互作用

通过1H、119Sn和207Pb NMR研究发现，PhA与FAI、MAI等有机铵盐形成氢键，但与CsI作用较弱；与金属卤化物作用时，PhA的铵基质子化学位移变化更大，且119Sn NMR信号显著向低场移动，而207Pb信号几乎不变，表明Sn(II)物种主导与添加剂的相互作用。DFT计算显示PhA与SnI2的结合能（-21.79 eV）远大于与MAI/FAI的结合能（约-12 eV），且PhA使Sn的静电势更正，电子密度降低。这些结果说明氨基酸盐主要通过与Sn中心配位来调控前驱体溶液化学。

图 2　Fig. 2。图2比较了不同添加剂对薄膜形貌和结晶的影响。a部分SEM图像显示PhA薄膜表面光滑、晶粒均匀，而PEA薄膜出现枝晶，PPA薄膜有明亮沉积物，PEAPPA薄膜形貌介于两者之间。b部分GIWAXS图案显示PhA薄膜的衍射斑点更集中，表明结晶取向更好；PPA也表现出取向增强，而PEA影响较小。c部分ToF-SIMS深度剖析显示PhA+在薄膜表面和底部富集，PEA+分布均匀，PPA-在底部富集。d部分展示了薄膜的电子性质参数。

亮点 2｜氨基酸盐稳定胶体并改善薄膜形貌

DLS测量显示，PhA添加的前驱体溶液在30分钟内胶体粒径分布稳定，随后形成窄分布的大颗粒并保持稳定；而对照、PEA、PPA和PEAPPA溶液均表现出较宽的粒径分布或随时间波动。SEM图像表明，PhA薄膜晶粒间沉积物减少，厚度均匀（860±80 nm）；PEA薄膜出现枝晶和厚度不均（950±450 nm）；PPA薄膜在埋底界面出现介孔空洞；PEAPPA薄膜形貌介于两者之间。这说明氨基酸盐通过稳定胶体颗粒，促进了均匀成核和薄膜生长。

图 3　Fig. 3。图3展示了薄膜的光电性能。a部分QFLS mapping显示PhA薄膜的准费米能级分裂值更高且空间分布更均匀，而PEA薄膜虽然平均值提高但均匀性差，PPA薄膜QFLS降低。b部分TRPL衰减曲线显示PhA薄膜的PL寿命最长（9.5 µs），PEAPPA也较长（9.4 µs），而PPA最短（0.7 µs）。c部分差分寿命分析表明PhA薄膜在早期没有快速衰减成分，表明陷阱填充减少。d部分PLQE测量显示PhA薄膜的PLQE高达12.7%，远高于其他样品。e和f部分通过SRH模型拟合得到了陷阱俘获速率，PhA样品的浅陷阱和深陷阱俘获速率均显著降低。g部分伪J-V曲线预测PhA器件可实现0.93 V的pVOC和0.87的pFF。

亮点 3｜羧基主导结晶取向，铵基改善光电性能

GIWAXS结果显示，PhA薄膜的(100)衍射峰强度比对照增强3倍以上，且衍射斑点更集中，表明结晶性提高；PPA薄膜也表现出类似的取向增强，而PEA薄膜仅略有改善。ToF-SIMS深度剖析发现PhA+阳离子在薄膜表面和埋底界面富集，而PEA+分布均匀，PPA-在底部富集。这表明羧基在调控晶体生长取向中起主要作用，而铵基对光电性能的贡献更大。PLQE测量显示PhA薄膜的PLQE高达12.7%，而对照、PEA、PPA和PEAPPA薄膜的PLQE均低于2.5%。TRPL分析表明PhA薄膜的差分寿命在早期保持恒定，表明陷阱填充减少，缺陷密度降低。

图 4　Fig. 4。图4展示了器件结构和性能。a部分给出了单结、双结、三结和四结器件的结构示意图。b部分为截面SEM图像，显示各子电池厚度。c部分J-V曲线显示PhA优化的单结电池PCE达23.9%，双结、三结和四结电池分别达到29.7%、28.7%和27.9%。d部分稳态输出功率证实了这些效率。e部分EQEEL光谱显示三结电池中1.26 eV子电池的EQEEL最高（1.46%），表明其电压损失最小。f部分展示了基于EQEEL计算的电压损失分析。g部分MPPT稳定性测试显示三结电池在环境条件下运行860小时后仍保持80%初始效率。

亮点 4｜高效单结及多结太阳能电池

采用PhA优化的锡铅钙钛矿制备的单结电池实现了23.9%的PCE（VOC=0.90 V，JSC=33.07 mA cm-2，FF=0.80），稳态效率23.4%。双结、三结和四结全钙钛矿叠层电池分别达到29.7%（认证29.26%）、28.7%和27.9%的PCE，其中三结电池的1 cm2器件认证效率为27.28%，四结电池开路电压高达4.94 V。封装的三结电池在环境条件下最大功率点跟踪860小时后仍保持80%初始效率。这些结果证明了氨基酸盐策略在提升多结光伏性能方面的有效性。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： NMR、DFT计算、DLS、SEM、GIWAXS、ToF-SIMS、PLQE、TRPL、器件表征
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事钙钛矿光伏材料与器件研究，尤其是锡铅钙钛矿和多结叠层电池方向的研究人员。

带走一句

前驱体溶液化学调控是提升锡铅钙钛矿性能的关键，氨基酸盐通过同时稳定胶体和钝化缺陷，为高效多结光伏提供了简单有效的策略。