3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸在钙钛矿太阳能电池领域的应用

介绍

3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸（ATPN）能够作为多官能团协同作用的分子桥调控SnO₂/钙钛矿界面，分子中含羧基、亚氨基与氨基，易溶于异丙醇等有机溶剂，官能团可与金属离子形成配位键、与卤素离子形成氢键，化学活性优异。

图一 3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸

结构优势

3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸的分子中含有的羧基（-COOH）、亚氨基（-C=NH）和氨基（-NH₂）官能团，可分别与 SnO₂层和钙钛矿层形成特异性相互作用，实现双向缺陷钝化。密度泛函理论（DFT）计算表明，ATPN的羧基和亚氨基呈现强负静电势能区域，易与SnO₂表面的欠配位Sn⁴⁺离子及钙钛矿中的欠配位 Pb²⁺离子形成稳定化学键；而氨基的正静电势能区域则能与钙钛矿中的欠配位 I⁻离子形成氢键作用。此外，ATPN具有4.432 Debye的较大偶极矩，有利于增强载流子传输效率，是连接 SnO₂与钙钛矿层的理想界面桥接分子。

图二 密度泛函理论计算结果

调控机制

一方面，3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸的羧基可与SnO₂表面的悬空Sn键配位结合，显著降低表面氧空位含量。X 射线光电子能谱（XPS）测试显示，SnO₂表面氧空位占比从62.31%降至59.59%，同时Sn 3d 轨道结合能发生负移，表明Sn原子周围电子云密度增加，有效改善了电荷提取与传输效率。另一方面，ATPN的亚氨基与氨基可通过形成N-Pb化学键和氢键，分别钝化钙钛矿中的欠配位 Pb²⁺离子并填充 I⁻空位，XPS测试证实Pb 4f 和 I 3d轨道结合能均向低结合能方向偏移，且金属Pb⁰含量显著降低，大幅减少了界面缺陷密度与非辐射复合中心。

定向调控结晶过程

3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸可将钙钛矿重结晶动力学窗口从25.96s延长至30.91s，减缓晶粒生长速率，促进小晶粒溶解再沉积为大晶粒，使钙钛矿平均晶粒尺寸从471.72nm增至547.52nm。ATPN与钙钛矿（100）晶面的结合能（-0.835eV）远高于（110）晶面（-0.433eV）和（111）晶面（0.575eV），这种选择性吸附作用降低了（100）晶面表面能，诱导钙钛矿形成面外（100）择优取向，显著增强载流子提取与传输效率。同时，ATPN修饰使SnO₂表面粗糙度从3.35nm降至2.69nm，水接触角从27.3°减小至21.2°，改善了润湿性与界面接触质量。

能级匹配优化

3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸修饰使SnO₂的功函数从4.6eV降至4.46eV，通过界面偶极效应提升了费米能级，优化了SnO₂与钙钛矿的能级对齐：电子传输能垒（ΔEₑ）从0.31eV降至0.17eV，空穴阻挡能垒（ΔEₕ）从1.26eV增至1.4eV，既促进电子高效传输，又抑制空穴迁移，减少界面电荷积累与非辐射复合。空间电荷限制电流（SCLC）测试表明，ATPN修饰使器件陷阱态密度从2.42×10¹⁵cm⁻³降至1.38×10¹⁵cm⁻³，电子迁移率从8.47×10⁻⁴cm²・V⁻¹・s⁻¹提升至1.86×10⁻³cm²・V⁻¹・s⁻¹，显著改善了电荷传输动力学。

图三 能级调控优化示意图

界面调控

3-[(氨基亚氨基甲基)硫基]丙酸的作用最终转化为器件性能的全面提升。当ATPN浓度为1mg・mL⁻¹时，器件性能达到最优，冠军器件的功率转换效率（PCE）高达24.06%，远优于未修饰器件的22.15%，其短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）分别提升至25.16mA・cm⁻²、1.16V和82.43%。此外，ATPN修饰使器件滞后指数从9.3%降至3.16%，有效抑制了滞后效应。在稳定性测试中，氮气氛围下老化1920h后，ATPN修饰器件仍保留90.14%的初始效率，而未修饰器件仅保留68.32%；在40%–60%相对湿度的环境中存储960h，ATPN修饰器件效率retention率达80.11%，远超未修饰器件的37.31%，展现出优异的环境稳定性[1]。

参考文献

[1]Tang T ,Yu B ,Zhang Y , et al.Achieving Defect Passivation and Oriented Crystallization Regulation at the SnO2/Perovskite Interface via Molecular Bridging.[J].Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany),2025,21(47):e06053.DOI:10.1002/SMLL.202506053.