2-ThEAI，钙钛矿在科研领域中是如何被定义的

2025-07-29

2-ThEAI（CAS 号：2414055-94-8）的全称为2 - 噻吩乙基碘化铵（2-Thiopheneethylammonium iodide），是一种含噻吩基的有机铵盐，其分子结构为噻吩环通过乙基链连接碘化铵基团（C?H??INS）。作为一种高效的界面工程材料，它在钙钛矿太阳能电池（PSCs）及光电器件领域展现出独特的应用价值。

一、化学定义与结构特征

1. 分子结构与组成

噻吩基核心：噻吩环（五元含硫芳香环）赋予分子 π-π 共轭能力和电子离域特性，增强其与钙钛矿表面的相互作用。
乙基链连接：噻吩环通过乙基链（-CH?CH?-）与碘化铵基团（NH??I?）相连，这种结构设计平衡了分子的疏水性和反应活性。
离子特性：碘化铵基团提供正电荷，可与钙钛矿表面的碘空位（I?）形成静电作用，同时硫原子（S）可通过配位键与铅空位（Pb2?）结合，实现双位点钝化。

2. 物理化学性质

溶解性：易溶于 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）等极性溶剂，适合溶液旋涂或浸涂工艺。
热稳定性：噻吩环的芳香结构赋予其较高的热稳定性，在钙钛矿常用的退火温度（≤150°C）下表现稳定，适用于高温处理工艺。

二、在钙钛矿器件中的核心应用特征

1. 界面缺陷钝化机制

双位点协同钝化：
- 硫原子配位：噻吩环上的硫原子通过孤对电子与钙钛矿表面的铅空位（Pb2?）形成强配位键，减少深能级缺陷。
- 铵基静电作用：碘化铵基团与碘空位（I?）通过静电作用结合，修复表面电荷失衡。
抑制非辐射复合：在 2D/3D 钙钛矿器件中，2-ThEAI 处理后器件的光致发光（PL）寿命从 30.29 ns 延长至 110.60 ns，显著降低缺陷态密度。

2. 器件性能提升

效率突破：在倒置 PSCs 中，2-ThEAI 处理的 Cs?.??MA?.??FA?.?PbI?器件光电转换效率（PCE）从 19.9% 提升至 23.5%，开路电压（V?C）增加至 1.12 V，填充因子（FF）提升至 73.8%。
稳定性强化：经 2-ThEAI 钝化的器件在 85% 相对湿度下储存 2000 小时后，仍保持初始效率的 90% 以上；在 85°C 高温下，器件的 T??寿命（效率降至初始值 80% 的时间）超过 1200 小时，是未处理器件的 4 倍。

3. 2D/3D 钙钛矿界面调控

抑制相分离：噻吩基的空间位阻效应（STERI 指数 2.15）可阻止长链铵配体（如 PEA）渗透至钙钛矿体相，抑制 2D 相生成和结构降解。
增强界面粘附性：噻吩环与钙钛矿表面的 π-π 堆积作用可增强界面粘附力，减少层间剥离风险，适用于大面积器件制备。

三、与其他钝化剂的差异化优势

1. 对比传统铵盐钝化剂

分子设计优化：相较于无芳香环的乙基碘化铵（EAI），2-ThEAI 的噻吩环显著提升了分子的共轭性和热稳定性，在高温退火过程中表现更优。
钝化能力增强：硫原子的配位作用使其对铅空位的修复效率比常规铵盐（如 FAI）高 30% 以上，且能同时钝化碘空位，实现双缺陷位点修复。

2. 对比含氟钝化剂（如 345FAn）

疏水性平衡：2-ThEAI 的噻吩基疏水性适中，既避免了氟代钝化剂的过度疏水导致的成膜不均匀问题，又能有效阻挡水汽渗透，在高湿度环境下表现更稳定。
能带匹配优势：噻吩基的功函数（约 4.8 eV）更接近钙钛矿的价带顶，可优化空穴传输层（如 Spiro-OMeTAD）与钙钛矿的能级匹配，减少界面电荷积累。

四、技术挑战与未来研究方向

1. 合成工艺优化

产率提升：当前 2-ThEAI 的合成需通过噻吩乙醇与氢碘酸的取代反应，产率约 60%。需开发更经济的路线（如催化加氢或电化学合成）以降低成本。
杂质控制：噻吩环的硫原子易氧化，需优化纯化工艺以减少副产物（如噻吩磺酸）对器件性能的影响。

2. 大面积制备兼容性

溶液工艺优化：在卷对卷（R2R）涂布中，需调节 2-ThEAI 溶液的表面张力（通过添加表面活性剂）和干燥动力学，确保钝化层均匀性。
界面扩散控制：噻吩基的疏水性可能导致其在钙钛矿表面的扩散速率较慢，需探索超声辅助或电场诱导沉积技术以加速界面反应。

3. 长期环境耐久性验证

紫外辐射稳定性：噻吩环在紫外光下可能发生光氧化，需通过分子修饰（如引入甲基取代基）或复合封装（如 SiO?/ 聚合物双层膜）提升抗紫外性能。
机械应力耐受性：在柔性器件中，需研究 2-ThEAI 对钙钛矿薄膜机械韧性的影响，避免弯曲过程中界面开裂。

2-ThEAI 凭借其独特的噻吩基 - 乙基 - 碘化铵结构设计，在钙钛矿器件中实现了高效界面钝化与稳定性提升的双重突破。其硫原子配位、π-π 堆积和静电作用的协同机制，使其在抑制缺陷、优化能级匹配和增强环境耐受性方面表现优异。尽管在合成成本和大面积制备工艺上仍需改进，2-ThEAI 已成为钙钛矿界面工程领域极具潜力的候选材料。随着钙钛矿技术向产业化迈进，2-ThEAI 有望在叠层电池、光电探测器等领域发挥更大作用，推动下一代光电子技术的发展。

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