钙钛矿太阳能电池，最新Nature Energy！

米测MeLab

2026-01-05

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSC）的商业化核心在于提升光、热稳定性。如何精准构建高性能2D/3D异质结，并将其成功从实验室小面积电池拓展至符合工业标准的稳定大面积组件，是目前光伏领域的研究热点。

关键问题

目前，钙钛矿太阳能电池的研究主要存在以下问题：

1、传统离子型配体的化学不稳定性

目前2D钙钛矿多采用离子型大体积阳离子作为链接剂，这不仅限制了溶剂的选择范围，且此类分子在热应力下易向3D本体扩散，导致界面性质改变并加速电池性能降解。

2、大面积组件制备的放大效率损失

从实验室小电池跨越到大规模组件时，涉及激光加工和复杂的载流子传输动力学。现有的稳定策略往往难以在保证超高能量转换效率的同时，满足工业级（如ISOS协议）的长效运行寿命需求。

新思路

有鉴于此，罗马第二大学Aldo Di Carlo等人使用一种共晶工程方法来提高钙钛矿器件的长期稳定性。使用中性分子苯并胍胺（BGA）作为低维钙钛矿中的链接剂，取代传统的离子分子，并形成共晶。通过将该共晶层应用到钙钛矿层上，在小面积太阳能电池中实现了23.4%的能量转换效率，在有效面积分别为9.0 cm²和48 cm²的太阳能组件上分别实现了23.1%和18.5%的效率。在最大功率点条件下，太阳能组件在经过超过5000小时的1个太阳光照和超过1000小时的紫外线照射后，分别保留了初始效率的95%和98%以上。它们在85°C的持续热应力下超过5000小时后，仍保留了91%以上的初始效率。

技术方案：

1、构建了低维共晶钙钛矿相

研究者用苯并胍胺（BGA）构建2D钙钛矿，通过氢键等作用嵌入晶格，保持化学计量比，提升稳定性。

2、表征了薄膜形貌、结构与光物理性能

实验用XRD和GIWAXS确认2D结构，BGA使载流子寿命显著提升，共晶层抑制非辐射复合，SEM显示BGA钝化了晶界，优化了形貌。

3、评估了器件效率与电荷动力学性能

BGA共晶层使小面积电池效率达23.4%，显著提升复合电阻和离子迁移电阻，延长复合寿命，降低理想因子，优化能带对齐，提升了开路电压和填充因子。

4、展示了大面积组件的放大生产与极端稳定性

作者将技术应用于9.0 cm²和48 cm²组件，效率达23.13%和18.5%。稳定性符合国际标准，5000小时后效率保持率高，源于BGA层阻挡离子挥发和水分侵入，具工业潜力。

技术优势：

1、提出了中性分子共晶工程策略

作者引入中性有机分子苯并胍胺（BGA）取代传统离子链接剂，通过强分子间相互作用原位构建稳定的Ruddlesden–Popper (RP) 型共晶二维相，有效阻隔离子迁移并增强电荷传输。

2、刷新了钙钛矿组件的工业级稳定性记录

研究表明，大面积组件在高温湿热、连续光照及紫外照射测试中均表现出极高的耐用性（T₉₁ > 5000小时），证明了共晶二维相在极端工业条件下的保护作用。

技术细节

低维共晶钙钛矿相的构建与机理

研究者提出了一种利用中性分子苯并胍胺（BGA）构建共晶2D钙钛矿相的方法。与传统的离子交换机制不同，BGA通过氢键和π–π堆叠等强分子间作用力嵌入晶格，形成通式为(L)_mn(A)_pnB_nX_3n+y的稳定相。这种策略在3D向2D转换过程中保持了原有的化学计量比。DFT计算显示，BGA分子倾向于“面朝下”的取向，这种几何构型不仅有利于载流子穿越界面，还能通过形成强力的化学螯合钝化卤化物和阳离子缺陷，从而提升材料的本征稳定性。

图  共晶钙钛矿形成与常规结构

薄膜形貌、结构与光物理性能表征

实验通过XRD和GIWAXS分析确认了低角度RP相峰的出现，证实了2D结构的成功形成，且小阳离子（MA⁺）在共晶形成中起到了关键中介作用。TRPL分析表明，仅需添加0.5%的BGA，载流子寿命就从2.31 ns飞跃至208.8 ns；在优化后的(BGA)_0.1(MA)_0.9PbI₃薄膜中，寿命更是突破300 ns。这表明共晶层极大地抑制了非辐射复合。SEM图像直观展示了BGA在晶界处的选择性钝化，促进了晶粒重结晶并增大了平均粒径，为高效电荷传输提供了优异的形貌基础。

图  不同连接基钙钛矿薄膜的结构和物理特性

器件效率与电荷动力学性能评估

应用该共晶层的冠军小面积电池效率达到23.4%。电化学分析显示，DCP/BGA器件的复合电阻（R2）比对照组高出一个数量级，且离子迁移电阻（R3）提升了三个数量级。瞬态光电压（TPV）测试揭示了更长的复合寿命（130.0 µs vs 11.4 µs），暗态J–V测试则显示理想因子从3.7显著降至2.2。这些数据一致证明，BGA层通过优化能带对齐和抑制深能级陷阱，极大地提升了开路电压和填充因子，使电荷提取过程更高效、损耗更低。

图  二维钙钛矿覆盖层对PSC性能和电荷动力学的影响分析

图  通过共晶工程实现PSM的大面积制造和增强的稳定性

大面积组件的放大生产与极端稳定性测试

研究成功将该技术应用于9.0 cm²和48 cm²的组件，分别取得23.13%和18.5%的破纪录效率。稳定性测试符合ISOS和IEC国际标准：封装组件在85°C/65% RH环境下运行5000小时后效率保持率为91%；在连续光照下运行5000小时后仍保留95%的效率。长期暴露在紫外线下1000小时后，效率几乎无衰减。这种卓越的鲁棒性源于BGA共晶层构建的多功能屏障，它有效阻止了内部MA⁺离子的挥发和外部水分的侵入，展现了极强的工业应用潜力。

图  3D/2D PSC稳定性机制的结构和动力学分析

图  表示DCP层上的共晶2D钙钛矿覆盖层相形成机制的示意图

展望

本研究通过创新的中性分子共晶工程，开辟了制备高性能、高稳定二维钙钛矿的新途径。BGA分子的引入不仅显著增强了缺陷钝化和电荷迁移率，更构建了极其坚固的物理/化学屏障，解决了钙钛矿电池在大面积放大过程中的效率损失与寿命衰减难题。超过5000小时的湿热和光照稳定性，标志着该技术已具备通过国际光伏耐久性认证的潜力，为钙钛矿太阳能组件的商业化进程提供了关键的技术保障。

参考文献：

Yaghoobi Nia, N., Zendehdel, M., Paci, B. et al. Co-crystal engineering of a two-dimensional perovskite phase for perovskite solar modules with improved efficiency and stability. Nat Energy (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01903-9