重庆大学/剑桥大学/西湖大学等Joule：通过晶面选择性分子工程稳定钙钛矿太阳能电池

2026-03-06 15:00

上海

物质科学

Physical science

重庆大学孙宽教授、廖强教授，剑桥大学Caterina Ducati教授，西湖大学的王睿教授，中国科学院杭州高等研究院的杜鹃教授，中国科学院上海高等研究院的高兴宇教授联合晶澳太阳能等单位在Cell Presss细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Stabilizing Perovskite Solar Cells via Facet-selective Molecular Engineering”的文章。

该工作系统研究了甲脒铅碘（α‑FAPbI3）钙钛矿薄膜中晶面异质性对其稳定性的影响机理，揭示了不同晶面（如（100）与（111））在原子配位环境、相变能垒及稳定性方面的显著差异。该研究通过理论计算筛选出具有三甲酰基官能团的添加剂分子三(4‑甲酰苯基)胺（TFPA）。该分子凭借在（100）晶面上更高的结合能，可选择性吸附并抑制该晶面的生长，同时通过提高α‑FAPbI3相到δ‑FAPbI3相的转变能垒增强本征相稳定性。实验结果表明，TFPA调控的钙钛矿薄膜实现了（111）晶面的生长。由此制备的钙钛矿太阳能电池获得了26.4%的光电转换效率，并在65°C、1个太阳光照射下连续运行1100小时后仍保持96.5%的初始效率。该工作从晶面工程的角度出发，为同时实现钙钛矿太阳能电池的高效率与高稳定性提供了创新的设计与制备策略。

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研究背景

钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率和低成本的优势，但其稳定性仍然是制约其商业化应用的关键问题。钙钛矿薄膜由无数微小的晶体构成，不同的“晶面”具有显著的稳定性差异。其中，(111)晶面结构稳定，由于（100）晶面易受环境影响因铅‑碘键长拉伸和羟基化作用更易诱发向非光活性的δ‑FAPbI3相转变，从而成为材料降解的薄弱环节。传统制备方法难以精准控制晶面取向，导致薄膜中不稳定晶面大量共存，成为提升稳定性的重大挑战。

尽管已有多种策略可促进（111）晶面表达以提升稳定性，但由于溶液法制备钙钛矿薄膜的快速结晶动力学，多晶薄膜通常呈现随机的晶体学取向。这种随机性导致晶体结构的空间异质性，进而影响电荷传输并造成缺陷密度的各向异性分布。此外，由于晶面生长速率的趋势为（100）>（111）>（110），晶粒内部容易形成随机取向。即便在（111）晶面为主导的钙钛矿薄膜中，（100）晶面仍常存在。这些（100）晶面的持续存在，为进一步提升钙钛矿材料的稳定性带来了显著挑战。

本文要点

要点一：

作者揭示了三(4-甲酰苯基)胺（TFPA）分子与钙钛矿之间相互作用的关键机制。理论计算表明，相较于对比分子TIPA和TAPA，TFPA在钙钛矿（100）晶面上的吸附能最低（-1.72eV），且Pb–O配位键长最短，表明其对该晶面具有最强的优先吸附和选择性钝化能力。实验表征进一步证实，TFPA的引入有效钝化了钙钛矿表面，显著抑制了金属铅（Pb0）缺陷的形成，并通过电荷重分布促进了界面电荷分离。值得注意的是，TFPA分子能选择性地优先吸附于稳定性较差的（100）晶面，在抑制该晶面生长的同时，将钙钛矿从α‑FAPbI3相向δ‑FAPbI3相转变的能垒提高了1.3eV，从而从分子层面实现了对钙钛矿晶体生长的调控和本征稳定性的显著增强。

图一：DFT模拟及TFPA与钙钛矿之间的相互作用

要点二：

作者通过原位掠入射广角X射线散射（in-situ GIWAXS）实时监测了钙钛矿薄膜的形成过程。研究发现，TFPA分子可有效调控钙钛矿结晶行为：GIWAXS图谱分析，TFPA的引入显著延长了钙钛矿中间相的持续时间，有效延缓了结晶动力学，进而形成了更大、更均匀的晶粒。同时，GIWAXS分析表明，TFPA促使钙钛矿晶体的（111）晶面沿面外方向形成择优取向，而对照样品的（111）衍射环则呈现各向同性。这种结构取向的改变得到扫描电子显微镜与扫描透射电子显微镜结果的进一步验证：TFPA掺杂的钙钛矿薄膜晶粒尺寸增大、表面更为平整。此外，能量色散X射线谱元素分布分析表明，TFPA分子在钙钛矿薄膜中主要分布于晶界处。结合理论计算与结构表征，作者揭示了TFPA分子在（100）晶面晶界处的优先吸附及其对结晶动力学与晶体取向的调控作用。

图2：晶体结构和形貌表征

要点三：

作者通过多种光谱与电学表征手段系统探究了TFPA添加剂对钙钛矿薄膜光电性能的优化机制。基于光泵浦-太赫兹探测谱的载流子动力学研究表明，TFPA掺杂薄膜的瞬态光电导与载流子迁移率较对照组提升约1.5倍，归因于其结晶质量改善与缺陷钝化效应。进一步利用太赫兹发射光谱证实，TFPA掺杂显著增强了薄膜面内方向的瞬态光电流信号，且该信号主要源于沿面外方向的电荷输运，这与（111）晶面择优取向所促成的垂直电荷传输增强相符。频谱分析发现，对照组样品在~1THz处存在源于光生电流与Pb-I键拉伸声子耦合的极化子发射模式P1；而TFPA掺杂样品则额外出现位于~0.6THz的新模式P2，其频率与FA+阳离子旋转声子匹配。P2模式仅在高光子能量（>2.13eV）激发下出现，表明TFPA诱导的（111）晶面高度择优排列与长程有序性，使得载流子-晶格耦合产生相干的集体动力学行为，从而激活该模式。微秒瞬态吸收测试显示，TFPA掺杂薄膜的Shockley-Read-Hall复合寿命从145ns延长至193ns，表明缺陷辅助的非辐射复合受到抑制。稳态与时间分辨光致发光光谱进一步证实，TFPA掺杂显著延长了载流子平均寿命（从612.6ns提升至1029.3ns），并有效降低了非辐射复合中心密度。综上所述，TFPA的引入通过优化晶体取向、提升结晶质量、降低缺陷密度，全面增强了钙钛矿薄膜的光电性能与载流子输运特性。

图3：太赫兹光谱和瞬态吸收测量

要点四：

作者比较了TFPA掺杂与未掺杂（对照组）钙钛矿太阳能电池的光伏性能与稳定性。测试表明，TFPA掺杂器件的反向扫描光电转换效率高达26.4%，开路电压、短路电流密度与填充因子均获提升，迟滞效应显著降低，是目前报道的（111）晶面主导型电池中认证效率最高的器件。电化学阻抗谱与莫特-肖特基分析进一步显示，TFPA掺杂器件的电荷传输电阻降低、复合电阻升高、内建电势增强，有利于载流子的高效分离与提取。同时，基于光强‑开路电压关系提取的理想因子下降，表明陷阱辅助复合被有效抑制。

在稳定性方面，未封装的TFPA掺杂器件在暗态、30%湿度下存储1000小时后，仍保持90.0%的初始效率，而对照组衰减至62.1%。在65°C、持续光照最大功率点输出1100小时后，TFPA掺杂器件保持96.5%的初始效率，对照组则为72.5%。结构分析表明，TFPA掺杂的钙钛矿薄膜在室温及苛刻温湿条件下均能保持α‑FAPbI3纯相，而对照组则出现δ-FAPbI3相。与此同时，作者利用扫描电子衍射（SED）对老化两个月的薄膜进行晶相—取向映射：对照组在晶界附近出现降解产物δ-FAPbI3六方相及混合相，经老化后主要剩余（111）取向α-FAPbI3相与降解相；而TFPA掺杂样品仍保持α-FAPbI3立方相，并呈现更均匀的（111）取向与更理想的晶界处排列。这表明TFPA的晶界富集能够抑制α-FAPbI3→δ-FAPbI3相变与降解，使薄膜在老化后仍保持光活性相并维持均一的取向分布，为后续器件稳定性提升提供了微观结构证据。

图4：钙钛矿太阳能电池的光伏性能及钙钛矿薄膜的降解

作者介绍

孙宽

教授

孙宽，教授，长期从事可再生能源高效利用原理及技术的研究，具有多年的材料设计和器件构筑经验。累计发表SCI论文200余篇，被引用2万余次（Google Scholar数据），H因子69，入选科睿唯安全球高被引科学家、斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家、Research.com发布的材料科学顶级科学家、"全球学者库"发布的全球顶尖前10万科学家等榜单。在科学出版社主编教材1部，在国际知名出版社CRC Press、Wiley-Scrivener和Wiley VCH出版的学术专著中撰写4个章节。申请中、美、澳专利60余项，已授权30余项。获重庆产学研科技成果创新奖一等奖（排名第1）、重庆市自然科学奖二等奖2项（排名第1和第2）、重庆市科学技术成果1项。担任Elsevier国际期刊DeCarbon执行副主编、Materials Reports: Energy副主编、Biofuel Research Journal编委、Journal of Optics and Photonics Research编委、《材料导报》执行编委、SmartMat青年编委、SmartSys青年编委以及Science等70余本期刊审稿人。

更多个人与课题组信息，请访问：https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD

Caterina Ducati

教授

Caterina Ducati，现任英国剑桥大学材料科学与冶金系纳米材料学教授，并担任剑桥大学电子显微中心主任、研究生教育主任。其主要研究方向为纳米材料的电子显微学表征与机理解析，重点关注纳米材料结构与其电子/光学性质之间的关联，并面向光伏、光催化与光电子器件等应用场景。团队依托Wolfson Electron Microscopy Suite先进电镜分析平台，在从颗粒到器件的多尺度上研究纳米材料、纳米复合材料及其器件，尤其聚焦单颗粒、界面与结区在纳米尺度上如何支撑关键化学与物理过程。她的研究强调在外场激发条件下（如电偏压、加热、光照、液体流动等）定量解析形貌、晶体学与成分演化，并开发原位TEM方法与工具，用于实时追踪材料与器件在工作状态下的结构—性能变化；近期重点包括发光二极管（LED）、有机-无机杂化纳米结构太阳能电池与电化学体系等。代表性工作涵盖钙钛矿太阳能电池的原位热致降解观测（Nature Energy, 2016）、光照下大面积钙钛矿器件中金与碘的扩散行为（Nanoscale, 2017）以及电化学体系中硅电极固态电解质界面（SEI）生长与容量衰减机制研究（J. Am. Chem. Soc., 2016）等，H因子76，总引用超过28000次。

更多个人与课题组信息，请访问：https://www.msm.cam.ac.uk/people/ducati

陈忻

博士研究生

陈忻，剑桥大学材料科学与冶金系博士研究生，师从剑桥电子显微中心主任Caterina Ducati教授。博士期间获得奖学金5次，科研经费2项。主要研究方向为扫描透射电镜（STEM）技术对钙钛矿器件的表征，可用于关联表征光电器件的微观物理性质与宏观器件性能。研究者围绕钙钛矿材料微结构、组分元素与光电性能的复合关系，开发四维扫描透射电镜（4DSTEM）与原位加热/加压表征（in-situ heating/biasing）技术，能在纳米到原子尺度观察钙钛矿的晶体结构、组成元素、缺陷与应力、内建电场/电荷/电势分布等物理特性。研究者运用机器学习分析大规模电镜数据，是4DSTEM分析算法的开发者之一。

王睿

副教授

王睿，西湖大学工学院长聘副教授，独立PI，师从Yang Yang教授，获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，麻省理工科技评论全球科技创新35人、阿里巴巴达摩院青橙奖以及ESI高被引学者（Cross-Field交叉）等。

王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者或通讯作者身份在Nature(3篇)，Science(3篇)，Nature Energy，Nature Photonics，Nature Chemistry，Joule，Advanced Materials，JACS，Angew，Matter，Nano Letters等旗舰杂志发表论文60余篇，研究成果被包括人民日报，新华社，科技日报，科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。

高兴宇

研究员

高兴宇，中国科学院上海高等研究院研究员。1999年德国马丁―路德大学博士。长期从事磁性材料和有机分子薄膜研究，近几年也致力于钛矿光伏等研究，在同步辐射技术应用方面取得了一系列成果。在Phys. Rev. Lett.等刊物上发表文章160余篇。

杜鹃

教授

杜鹃，教授，国家人才计划入选者。2013年由上海光机所以中国科学院人才计划引进回国。近年来，面向集成光学等前沿应用需求，以激光技术小型化为牵引，开展了新型增益材料的微纳尺度下超短激光等激光新原理与机制的探索，成功实现世界上基于传统激光腔的最小激光器（其三维尺寸仅为亚波长量级）及多种LED发光器件等工作。这些工作相关成果以通讯作者发表于Nature Communications、Advanced Science、ACS Nano、Nano Energy等国际知名期刊，迅速得到国际同行的承认与引用，多篇入选ESI热点论文、ESI高被引论文和封面。先后主持和参与国家重大专项、国家自然科学基金项目、中国科学院人才计划、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技B类专项等项目。先后获得中国科学院BR计划终期考核优秀、中国科学院巾帼建功先进个人、中国科学院创新交叉团队带头人等称号，并应邀担任“发光学报”青年编委。指导及协助指导的多位研究生获“国家奖学金”、“上海市优秀毕业生”、“中国科学院院长奖”、“王大珩光学奖”、上海市“超级博士后”激励计划等。

主要研究方向：基于钙钛矿的太阳能电池及微纳激光机理及器件研究，运用超快激光光谱、太赫兹时域光谱和显微镜成像技术，研究钙钛矿等材料内部光电转化、发光应用等相关的超快动力学和非线性光学等物理化学前沿问题，结合材料制备、器件测试，实现对光电器件、发光器件功能化的理解和应用，致力于相应的器件发展。