钙钛矿太阳能电池，再登Nature Nanotechnology！

米测MeLab

2025-04-21

研究背景

钙钛矿材料因其在光伏、发光二极管、激光器等领域的优异表现，成为近年来材料科学领域的研究热点。特别是基于FAPbI₃的钙钛矿太阳能电池（PSCs），由于其高光电转换效率和较低的制造成本，广泛应用于太阳能技术。

然而，FAPbI₃钙钛矿在制备过程中容易出现晶粒尺寸小、孔隙率高以及相不稳定等问题，特别是在低温退火时，常常会形成非光伏活性的δ相，而不是所需的光伏活性的α相。这些问题制约了FAPbI₃基太阳能电池的进一步提升。

与传统的钙钛矿材料相比，FAPbI₃钙钛矿材料在性能上具有更高的光电转换效率，但它的稳定性和结晶质量问题仍是制约其广泛应用的瓶颈。因此，如何优化FAPbI₃薄膜的结晶性和改善其稳定性，成为了当前研究的核心挑战。

在此，美国托莱多大学付圣、鄢炎发，美国西北大学Edward H. Sargent院士合作在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“On-demand formation of Lewis bases for efficient and stable perovskite solar cells”的最新论文。该团队提出并实现了一种创新的按需生成路易斯碱分子的策略，通过引入含路易斯酸的有机盐，利用其在需要时去质子化生成路易斯碱分子，并在作用完成后通过再质子化迅速转化为盐类，从而避免了路易斯碱分子在整个过程中对结晶的干扰。

该方法在FAPbI₃钙钛矿薄膜的制备过程中，显著提高了α相的结晶质量。通过按需生成路易斯碱分子，研究人员成功实现了A位阳离子垂直均匀分布、较大的晶粒尺寸以及较少的埋藏界面孔隙，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。采用这种策略的钙钛矿太阳能电池实现了26.1%的效率，并在85 °C下最大功率点跟踪条件下运行1000小时后，保持了96%的初始效率。此外，该方法在1.2 cm²器件和11.52 cm²微型组件中的应用也获得了24.41%和21.47%的效率，展现出极好的可扩展性。    

这项研究通过优化FAPbI₃钙钛矿薄膜的结晶性和稳定性，解决了传统钙钛矿材料在相转变过程中面临的矛盾问题，为提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了新的技术路径。

研究亮点

1.实验首次通过采用半羧肼盐酸盐（SECl）作为添加剂，该策略在需要时通过去质子化生成路易斯碱分子，促进FAPbI₃钙钛矿薄膜中的α相结晶。SE分子在完成作用后被快速去除，从而提高了薄膜的均匀性和结晶质量。    

2.实验通过SE分子按需生成策略，有效提高了薄膜的A位阳离子垂直分布、晶粒尺寸及界面孔隙减少，显著改善了光伏性能。       

           
按需生成的SE分子促进了A位阳离子的垂直均匀分布，使得薄膜中晶粒变大，界面孔隙减少，从而提高了光伏性能。最终，使用该方法的钙钛矿太阳能电池实现了26.12%的光电转换效率，并获得了25.33% NREL认证的准稳态效率。

3.实验通过SE分子的按需生成提升了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性。    

经测试，该电池在85°C下进行最大功率点跟踪（MPPT）1000小时后，仍保持了96%的初始效率，证明了该策略在提高器件稳定性方面的有效性。

4.实验通过该策略在大面积微型组件上实现了较高的效率，在1.2 cm²的器件中，采用该策略的太阳能电池达到了24.41%的效率，而在11.52 cm²光圈面积的微型组件中，效率达到了21.47%，展示了该方法在大面积光伏组件中的应用潜力。

图文解读

图1：按需生成SE分子对FAPbI₃钙钛矿薄膜形成的影响。

图2：按需生成SE分子对含铯（Cs）和铷（Rb）钙钛矿薄膜结晶的影响。

图3：A位阳离子的垂直分布与薄膜稳定性。

图4：按需生成SE分子对器件性能的影响。

结论展望

本文针对FAPbI₃钙钛矿的相转变问题，提出了按需生成路易斯碱分子的策略。这一策略通过去质子化和再质子化过程，精确控制路易斯碱分子的生成和去除，有效促进了α相的结晶，避免了传统方法中δ相的优先生成。此方法不仅解决了钙钛矿薄膜中A位阳离子分布不均的问题，还促进了晶粒尺寸的增大，从而提高了太阳能电池的光电转换效率和稳定性。    

此外，研究还表明，Rb离子的扩散和RbPbI₃的形成在提高薄膜质量和光电性能方面具有重要作用。通过优化薄膜中的阳离子分布和晶粒结构，可以显著增强光伏器件的性能和长时间稳定性。这为今后高效钙钛矿太阳能电池的设计和制造提供了新的思路，并展示了路易斯碱分子调控在钙钛矿光伏材料中的潜力，推动了这一领域向更高效、更稳定的方向发展。

原文详情：

Fu, S., Sun, N., Chen, H. et al. On-demand formation of Lewis bases for efficient and stable perovskite solar cells. Nat. Nanotechnol. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01900-9