南京工业大学，Nature Communications！

纳米人

2026-01-14

研究背景

甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI₃）因其接近理想带隙和优异的热稳定性，被视为高效太阳能电池的理想材料。然而，其光活性α相的结晶动力学不稳定，易形成非光活性的δ相及中间杂相，导致薄膜缺陷多、相纯度低，严重制约器件效率与长期稳定性。

关键问题

在传统反溶剂辅助的一步法制备工艺中，难以实现对FAPbI₃结晶路径的精确控制，尤其无法充分利用其“自上而下”的结晶特性进行有序引导。残留的δ相、PbI₂杂质及无序晶界等问题，导致电荷复合严重、器件性能受限。

成果简介

有鉴于此，南京工业大学黄维、李仁志、秦天石、王芳芳团队提出了一种“自组装分子模板”策略，将设计的含硫氰酸根（‑SCN）的咔唑衍生物（Cz-SCN）引入反溶剂中，在钙钛矿成膜过程中原位形成有序动态模板，引导α‑FAPbI₃实现有序、快速的δ→α相变，并抑制杂相生成，最终获得高取向、低缺陷的高质量薄膜。基于该薄膜的n-i-p型器件实现了26.18%的冠军效率（认证25.67%），微型模块效率达21.70%，并展现出优异的环境与运行稳定性。

技术方案

1.实现了自组装分子引导的α‑FAPbI₃可控结晶

Cz-SCN分子在反溶剂中与钙钛矿前驱体作用，通过‑SCN与Pb²⁺的强配位形成动态有序模板，引导钙钛矿自上而下结晶，显著提升α相纯度与晶粒尺寸。

2.表征了薄膜的形貌与结构有序性

SEM显示Cz-SCN处理后的薄膜晶粒尺寸从0.5 μm增大至1.3 μm，晶界减少；GIWAXS证实为纯α相，无PbI₂残留，并出现层状有序结构。

3.验证了分子在薄膜中的均匀分布与作用机制

ToF-SIMS深度剖面显示Cz-SCN在薄膜整体分布均匀；FTIR和XPS证实‑SCN与Pb²⁺形成强配位，吸附能显著高于其他官能团（‑NH₂、‑CN、‑COOH）。

4.揭示了自组装引导的结晶动力学路径

原位GIWAXS与PL分析表明，Cz-SCN加速δ→α相变，抑制中间相生成，结晶路径更为直接、有序，非辐射复合损失显著降低。

5.实现了高效率与高稳定性器件集成

基于Cz-SCN的n‑i‑p型器件冠军效率达26.18%（认证25.67%），微型模块效率21.70%。器件在环境、光照及MPP追踪下均表现出卓越的长期稳定性。

技术优势

1.首次提出自组装分子模板引导钙钛矿有序结晶新策略

通过‑SCN基团的强配位作用，在反溶剂中形成动态有序模板，实现了α‑FAPbI₃的高效、纯净结晶，解决了传统方法中相变不完全、杂相多的问题。

2.实现了钙钛矿太阳能电池效率与稳定性的协同突破

器件效率突破26%，同时环境稳定性（1500小时保持95%）、光稳定性（2000小时保持90%）与运行稳定性（MPP 1000小时保持92%）均达到领先水平。

技术细节

图1基于自组装单层膜的钙钛矿薄膜的形态学与结构表征

通过引入自组装分子Cz-SCN调控钙钛矿结晶过程。SEM分析表明，经SAM处理后，薄膜从具有不规则晶体的形貌转变为由贯穿膜厚的完整晶粒构成，平均晶粒尺寸从0.5 μm显著增加至1.3 μm，并完全抑制了PbI₂杂质。GIWAXS测试进一步证实，处理后的薄膜为纯α相，且在qz = 0.13 Å⁻¹处出现特征信号，对应约4.5 nm的层状有序结构，这源于SAM分子的自组装。ToF-SIMS深度剖面及截面成像显示，钙钛矿组分（如NH₄⁺、FA⁺、Pb⁺）及SAM特征碎片离子（Cz⁺, m/z=225）在薄膜整体及表面均匀分布，表明SAM分子在成膜过程中有效渗透并作用于整个钙钛矿层，但其深度剖面信号可能受限于技术分辨率而部分模糊了界面细节。

要点：原位揭示SAM导向的结晶路径

图3自组装单层（SAM）导向的钙钛矿结晶过程的原位分析

通过原位分析揭示了自组装分子（SAM）引导钙钛矿有序结晶的关键过程：原位GIWAXS显示，SAM处理使薄膜在退火后仅35秒内即完全转变为α相，并出现表征有序层状结构的特征信号（qz=0.13 Å⁻¹），而对照组260秒后仍有杂相残留；原位PL光谱表明，SAM处理后的薄膜PL峰从680 nm起呈现平滑、连续的红移，强度持续上升，而对照组的PL峰在700-735 nm间剧烈振荡并严重淬灭；原位UV-vis吸收光谱进一步证实，SAM引导形成了单一的中间相吸收峰（420 nm处的PbI₄²⁻·SAM），随后吸收边从420 nm至750 nm呈现近乎线性的红移，显示其结晶路径单一、有序。这些数据共同证明，SAM通过强配位作用形成动态模板，显著加速了δ→α相变，抑制了杂相生成，并引导晶体有序生长，从而获得了高质量钙钛矿薄膜。

要点：‑SCN锚定基团的独特作用机制

图4锚定基团依赖性结晶控制的机制研究

为阐明-SCN基团在钙钛矿结晶调控中的独特作用，研究对比了Cz-SCN与三种类似分子（Cz-NH₂、Cz-CN、Cz-COOH）的效果。结果显示，只有Cz-SCN能同时实现高相纯度与有序自组装结构，而其他分子处理的薄膜均存在PbI₂杂质且缺乏层状有序性。理论计算表明，Cz-SCN在钙钛矿表面的吸附能最强（-0.77 eV），其大偶极矩与高负电性为稳定锚定提供了基础。FTIR证实Cz-SCN的S-C≡N键发生10 cm⁻¹蓝移，表明其与Pb²⁺形成强配位键，远强于其他基团（C≡N: 3 cm⁻¹, C=O: 5 cm⁻¹, N-H几乎不变）。XPS进一步显示，Cz-SCN引起Pb 4f结合能最大位移（0.41 eV），说明其与欠配位Pb²⁺的路易斯酸碱作用最强。原位PL动力学监测表明，Cz-SCN薄膜在退火过程中表现出快速、持续的PL恢复，最终强度显著高于其他样品，证明其能最有效地抑制非辐射复合，引导形成高质量钙钛矿薄膜。这些结果共同表明，-SCN基团通过强配位与稳定锚定，是实现有序自组装模板和高效结晶控制的关键。

光伏性能与稳定性

图4含不同Cz分子的器件评估比较

基于该钙钛矿薄膜，我们成功制备了具有玻璃/FTO/CBD-SnO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au结构的n-i-p型太阳能电池。结果显示，Cz-SCN处理后的器件平均效率显著提升至25.8±0.3%，远高于对照组的23.5±0.6%。其中，冠军器件得益于1.190 V的高开路电压和83.65%的填充因子，获得了26.18%的卓越效率，并已通过25.67%的外部认证。为进一步验证其可扩展性，我们制备了有效面积为14.21 cm²的5×5 cm²微型组件，其效率达到21.7%，开路电压为7.024 V，短路电流密度为4.01 mA cm⁻²，填充因子为77.05%。在稳定性方面，未封装的Cz-SCN器件在环境空气（23±3°C，50±10% RH）中存储1500小时后，仍能保持95%的初始效率，远超对照组的60%；在连续1太阳光照下（氮气氛围）2000小时后保持90%的初始效率；在最大功率点持续追踪1000小时后仍能维持92%的初始效率，而对照组在450小时后即衰减至80%。这些数据充分证明，通过Cz-SCN引导的有序结晶策略，能够同步实现钙钛矿太阳能电池的高效率、高稳定性与良好的工艺扩展性。

展望

本研究通过自组装分子模板策略，实现了α‑FAPbI₃的高效、有序结晶，显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性。该工作不仅为n‑i‑p型钙钛矿器件的结晶控制提供了新范式，也彰显了分子锚定基团设计在调控材料结晶与界面行为中的关键作用，为发展高效、稳定、可扩展的钙钛矿光伏技术提供了重要思路。