李永舫院士/孟磊，Nature Photonics！

米测MeLab

2025-06-19

研究背景

钙钛矿太阳能电池是一类新兴的光伏材料，因其优异的光电转换效率和低成本制造潜力，被广泛应用于太阳能发电等领域。与传统的硅基太阳能电池材料相比，钙钛矿材料具有高吸光系数、长载流子寿命及优异的载流子迁移率等优点，使其成为下一代高效光伏器件的有力竞争者。然而，钙钛矿材料在实际应用中仍面临晶体结构不均匀、高密度缺陷和界面陷阱态等问题，这些缺陷主要集中在晶粒表面和晶界处，导致非辐射复合增加，从而严重制约了器件的效率和稳定性。因此，如何有效调控钙钛矿薄膜的成核与晶体生长过程，及实现缺陷的高效钝化，成为提升钙钛矿太阳能电池性能的重大挑战。

鉴于此，中国科学院化学研究所李永舫院士、孟磊团队携手在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Solvent-assisted reaction for spontaneous defect passivation in perovskite solar cells”的最新论文。该团队创新性地将1,4-丁烷磺内酯（BuSO）作为第二溶剂引入钙钛矿前驱体溶液中，成功实现了对α-FAPbI3钙钛矿活性层成核过程的精准调控。通过BuSO与甲脒铵碘盐（FAI）和铅碘化物（PbI2）之间的相互作用，显著降低了成核密度，抑制了二次成核，促进了更大晶粒的形成，从而改善了薄膜的均匀性和结晶质量。更为关键的是，BuSO在退火过程中发生卤素辅助的开环反应，生成了具有钝化功能的4-氯丁烷-1-磺酸盐和4-碘丁烷-1-磺酸盐，这些产物均匀分布于晶界和薄膜表面，有效钝化了钙钛矿中的表面和界面缺陷。

利用这一创新策略，该团队制备的n–i–p结构平面型钙钛矿太阳能电池展现出显著提升的光电转换效率，达到了26.5%（认证效率为26.2%），同时表现出优异的长期稳定性。该研究不仅为钙钛矿薄膜的成核和结晶动力学调控提供了新的思路，也开辟了通过溶剂自发反应实现缺陷原位钝化的有效途径，对推动高性能钙钛矿太阳能电池的实用化具有重要意义。

研究亮点

（1）实验首次引入1,4-丁烷磺内酯作为第二溶剂加入钙钛矿前驱体溶液，成功调控了α-FAPbI₃钙钛矿活性层的成核过程，得到了晶粒尺寸更大、薄膜质量更高的钙钛矿薄膜。

（2）实验通过1,4-丁烷磺内酯与溶质的相互作用，降低了成核密度并抑制了二次成核，促进了晶体生长的均匀性和完整性；同时利用退火过程中1,4-丁烷磺内酯的开环反应，生成了4-氯丁烷-1-磺酸盐和4-碘丁烷-1-磺酸盐，这两种产物有效分布于晶界和薄膜表面，实现对钙钛矿表面和晶界缺陷的原位钝化。

（3）此外，钝化剂的存在显著减少了陷阱态，提高了载流子寿命和光电转换效率。最终，制备的n–i–p平面型钙钛矿太阳能电池实现了26.5%的高光电转换效率（认证为26.2%），并且表现出优异的长期稳定性。这表明该策略不仅有效调控了钙钛矿晶体生长动力学，还实现了自发缺陷钝化，显著提升了器件性能和稳定性。

图文解读

图1.成核过程中的分子相互作用与调控。

图2.卤素离子引发的开环反应。a,BuSO与卤素离子的开环反应。

图3.卤素离子诱导的BuSO开环反应及其自发性缺陷钝化作用。

图4.pero-SCs的光伏性能与稳定性。

总结展望

本文提出了一种创新的钙钛矿成核与缺陷钝化一体化调控策略，通过引入1,4-丁烷磺内酯（BuSO）作为第二溶剂，实现对FAPbI₃钙钛矿晶体成核动力学的精准控制，显著降低成核密度并抑制不利的二次成核过程，从而促进形成大晶粒且均匀致密的钙钛矿薄膜。更为关键的是，BuSO在退火过程中与卤素离子发生环开反应，生成的磺酸盐类化合物原位分布于晶界和表面，有效钝化了晶体缺陷，减少了非辐射复合损失，提升了载流子寿命和器件稳定性。

该研究不仅实现了钙钛矿薄膜质量与电性能的双重提升，还为钙钛矿太阳能电池制备提供了一种简便且高效的方案。未来，这种基于溶剂辅助的原位钝化策略可拓展应用于其他钙钛矿体系及相关光电器件，推动钙钛矿光伏技术向高效率和长寿命迈进，具有重要的科研价值和应用前景。

原文详情：

Wang, Y., Lu, C., Liu, M. et al. Solvent-assisted reaction for spontaneous defect passivation in perovskite solar cells. Nat. Photon. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01704-2