原位動力學構建全方位離子鎖網絡，突破鈣鈦礦電池效率-穩定性瓶頸

追求碳中和需要兼具高效率與運行穩定性的光伏技術。金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池雖已實現27%的效率，但其商業化受限于偏壓、熱循環等應力下的不穩定性，主要源于離子遷移及表面、晶界、埋底界面處的缺陷傳播。現有基于二維鈣鈦礦的鈍化策略大多只能處理上表面或埋底界面，難以解決體相缺陷這一關鍵效率損失來源。傳統二維/三維異質結構存在隨機量子阱相和無序垂直取向，阻礙電荷傳輸；同時在埋底界面構建功能性低維結構仍極具挑戰。因此，實現上表面、體相和埋底界面同時精準可控的全方位、相純且穩健的二維鈣鈦礦構建，是該領域尚未解決的核心難題。

鑒于此，來自香港理工大學李剛教授和王露遙副教授，河南大學李萌教授，德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心Antonio Abate教授，華中科技大學劉宗豪教授等研究人員通過協同分子設計和原位動力學處理路徑，開發了一種全方位離子鎖網絡策略。該策略利用雙功能間隔物2-(丙-2-烯-1-基硫烷基)乙烷-1-胺鹽酸鹽，將退火過程終止于亞穩態階段，使PYA沿擴大的晶界和未完全結晶的埋底界面滲透，隨后通過深紫外激活交聯，形成相純的二維“納米網”包裹三維晶粒。該全方位網絡實現了表面、體相和界面的缺陷鈍化；將電致伸縮晶格畸變抑制超過80%；并將碘離子遷移率降低55%以上。所制備器件實現了27.37%的功率轉換效率（認證效率27.01%），并在多種嚴苛測試下展現出卓越的穩定性。相關成果以題為“Omnidirectional ionic locking network for stable perovskite photovoltaics”發表在最新一期《nature photonics》上。

全方位交聯網絡鈍化策略

傳統方法中，用PYA/IPA溶液處理三維鈣鈦礦薄膜僅能在頂部表面形成致密的相純n=2層，無法保護滲透性的晶界網絡和電化學脆弱的埋底界面。為克服此局限，研究人員設計了動力學處理策略。如圖1a所示，通過將熱退火在45秒時中斷——此時晶界和埋底界面呈現結構開放的亞穩態——將PYA/IPA溶液注入這些納米級通道。該亞穩態提供了開放的向下通道，允許在旋涂步驟的時間尺度內實現滲透性填充。隨后在紫外照射下退火，誘導PYA衍生的低n相原位自交聯。結合原位動力學處理，該過程實現了頂部表面、滲透性晶界網絡和鈣鈦礦/襯底埋底界面的集成缺陷鈍化。

原位掠入射廣角X射線散射揭示了動力學處理前的薄膜呈現δ相消失和α相出現。動力學處理后，PbI?的消耗與退火過程中純低n相的形成相吻合，而α相的逐漸增強證實了體相再結晶和缺陷湮滅（圖1b）。原位輝光放電發射光譜跟蹤氯元素分布顯示，氯最初在表面聚集，退火過程中逐漸向兩個表面和埋底界面重新分布（圖1c）。硫元素的分布同樣證實PYA相關物種分布在薄膜整個深度，在界面處尤為有效。XPS顯示Pb4f峰向更高結合能移動0.3 eV，同時鹵化物缺陷信號減弱。原位GIwAXS進一步表明，經動力學處理的全方位網絡鈍化樣品顯著延遲了3D相形成，增強了3D α相衍射強度和晶體有序性。碘深度分布也證實了增強的結構完整性（圖1d）。飛秒瞬態吸收光譜顯示，ONP薄膜具有獨特的低維相吸收特征，初始漂白振幅顯著增強，帶邊漂白衰減延長，同時與陷阱相關的信號（>800 nm）受到抑制，表明體相和界面缺陷態密度大幅降低。

圖 1 | ONP薄膜

全方位離子鎖在偏壓下的行為

為評估動力學處理策略如何緩解偏壓誘導的晶格畸變和離子遷移，研究者使用GIwAXS和GD-OES探測了動態晶格對外加應力（橫向/垂直偏壓）的響應。圖2a顯示，ONP薄膜比對照薄膜具有更高的晶體有序度，且未檢測到PbI?相。垂直偏壓下，對照樣品的殘余應變顯著減小，而ONP樣品變化極小（圖2b）。橫向偏壓下行為類似（圖2c）。這表明鈍化的ONP晶界充當了離子遷移的天然屏障。將薄膜分為垂直取向（68°–97°）、中間取向（39°–68°）和水平取向（10°–39°）進行分析，圖2d顯示垂直偏壓下3D相晶格變形率依次為垂直>中間>水平取向。OP/ONP薄膜中的2D封裝鈍化顯著降低了所有取向上3D相的晶格變形率。微應變變化Δβ分析（圖2e）進一步顯示，對照樣品中場驅動的離子遷移填充空位缺陷，而OP/ONP保持較低的Δβ。交聯的ONP薄膜表現出對場致晶格膨脹的優異抑制能力。橫向偏壓下，平行電場主要施加面內壓縮應變，導致所有3D取向收縮（η<0）。ONP中交聯網絡提供全方位鉗制和離子鎖定，將3D壓縮晶格降低至對照樣品的四分之一，2D η值最小化至-0.04%。

圖 2 | 在2伏電壓偏置下鈣鈦礦晶體結構的變化

實時GD-OES實現了偏壓誘導碘離子遷移的時間量化（圖3a、3b）。關鍵的是，全方位交聯網絡鈍化將低電壓安全操作窗口內的高場驅動離子遷移閾值提升了2.3倍（橫向偏壓）和4.8倍（垂直偏壓）（圖3c、3d）。密度泛函理論計算表明，該策略顯著增加了碘間隙、鉛-碘反位等典型缺陷的形成能。電荷密度差分析顯示，交聯2D/3D界面處存在增強的電荷轉移。

圖 3 | 鈣鈦礦層在偏壓下的離子遷移

器件性能與穩定性

采用ITO/MeO-2PACz/鈣鈦礦/C??/BCP/Ag結構的太陽能電池，優化PYA濃度為0.75 mg ml?1。圖4a顯示，ONP策略制備的器件平均PCE達27.06%，遠高于對照器件的25.29%。冠軍ONP器件實現了27.37%的實驗室效率，并經中國國家光伏產業測量與測試中心獨立認證，獲得27.01%的認證效率（圖4c）。性能提升主要源于開路電壓（從1.170 V增至1.195 V）和填充因子（從83.19%增至86.89%）的同時增加。外量子效率光譜積分得到的短路電流密度為25.78 mA cm?2（圖4b）。該策略可擴展至69 cm2的大面積模塊，PCE從21.18%提升至23.02%（圖4d）。

在熱穩定性測試中，ONP器件在-40°C至85°C的500次快速熱循環后仍保持97.1%的初始PCE，而對照器件僅保留55.6%（圖4e）。在氮氣手套箱中85°C連續加熱2,400小時后，ONP器件保持95%的初始PCE（圖4f）。按照ISOS-L-2I協議，在連續1個太陽光照下進行最大功率點跟蹤，ONP器件在2,110小時后仍保留90.4%的初始PCE，對照器件在1,211小時后僅剩51.3%（圖4g）。

圖 4 | 設備性能和操作穩定性

總結與展望

這項研究提出了一種新穎的原位動力學處理方法，利用熱退火過程中的瞬時結構開放性，開發出由原位動力學處理和紫外/熱激活實現的穩固、相純的交聯低n納米網，分布在整個頂部表面、晶界網絡和埋底界面。該框架克服了傳統表面限制鈍化的空間局限，實現了多個關鍵區域的缺陷鈍化。特別是，全方位交聯網絡提供了各向異性穩定化，增強了垂直和橫向晶格結構，抑制了偏壓條件下的電致伸縮畸變，并提高了高場驅動離子遷移的閾值。這些進步促成了27.01%的認證效率和卓越的運行穩定性。通過將分子設計與可擴展的動力學控制相結合，該策略突破了效率-穩定性-可靠性的三難困境，為產業可行的鈣鈦礦光伏建立了一個通用框架，其中集成鈍化網絡可遏制場驅動的失效機制。對柵線熱點和互連處場驅動降解的抑制，直接解決了大面積模塊中的電壓不均勻性問題，從而促進高效疊層模塊和柔性器件的快速部署。