他，37岁当选院士，钙钛矿光伏领军人物，最新Nature Materials！

米测MeLab

2026-03-05

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

混合金属卤化物钙钛矿在光伏领域表现出巨大潜力，其单结电池效率已超27%，叠层电池接近35%。然而，目前占据主流的溶液法加工面临可扩展性和制造挑战，如使用有毒溶剂、批次差异以及与工业标准纹理衬底（如金字塔型硅）不兼容等问题。相比之下，真空热蒸发（VTE）作为一种无溶剂、工业验证过的沉积技术，是实现均匀大面积涂层的理想选择。

关键问题

目前，钙钛矿薄膜的制备主要存在以下问题：

1、溶液法生产的可扩展性瓶颈

尽管溶液法在实验室效率领先，但在扩大生产规模时，难以在粗糙表面实现均匀涂层，且溶剂残留和毒性限制了工业化应用。

2、全真空沉积电池的性能与质量赤字

VTE法制备的钙钛矿通常表现出微小且取向杂乱的晶粒，导致电荷复合严重，其效率和长期稳定性远低于溶液法制备的器件。

新思路

有鉴于此，牛津大学Henry J. Snaith院士和香港科技大学Yen-Hung Lin等人报告了一种通过引入PbCl₂共源来优化薄膜质量的1.67-eV宽带隙钙钛矿共蒸发路线。研究促进了具有显著(100)“面向上”取向的钙钛矿形成，并实现了认证效率达18.35%（实验室为 19.3%）的全真空沉积太阳能电池。这些电池在ISOS-L-2协议下运行1,080小时后仍保留80%的峰值效率。利用原位超光谱成像，作者提供了卤化物偏析和缺陷介导复合的时空光谱洞察，将微观发光特征与宏观器件性能联系起来。进一步展示了效率为27.2%的1-cm²蒸发钙钛矿/硅叠层电池，并在意大利进行的户外测试中显示，全真空沉积叠层电池在运行八个月后仍保留约80%的初始性能。

技术方案：

1、开发了晶体面定向的宽带隙钙钛矿共蒸发技术

多源共蒸发策略添加5 mol% PbCl₂，实现1.67-eV宽带隙钙钛矿生长，(100)择优取向显著，结晶度提升30倍，有效抑制PbI₂相，奠定了高效率基础。

2、表征了全真空沉积薄膜与器件的稳定性

蒸发法薄膜在ISOS-L-2协议下稳定性显著优于溶液法，全真空沉积电池T₈₀达1080小时，货架寿命超20000小时，消除溶剂残留与改善结晶度是关键。

3、分析了电荷提取质量与降解机制

原位超光谱成像显示溶液法器件存在"亮点"缺陷诱导劣化，蒸发法器件发光均匀、电荷提取稳定，有效缓解界面积累和离子屏蔽，稳定性显著提升。

4、验证了钙钛矿/硅叠层电池的高效率与户外性能

真空沉积叠层电池效率达27.2%，Voc 1.87 V，八个月户外测试性能比保持约80%，验证了全真空无溶剂制造方案在高效耐用光伏器件中的应用潜力。

技术优势：

1、通过晶面取向工程显著提升了薄膜质量

通过在共蒸发过程中添加PbCl₂，成功诱导钙钛矿形成高度定向的(100)“面向上”晶粒结构，显著提升了薄膜的相纯度和结晶度。

2、实现了卓越的器件稳定性与叠层应用

本文实现了运行寿命超过1,000小时的单结电池，并成功将其集成至27.2%效率的硅叠层电池中，在真实户外环境下展现了长达八个月的高稳定性。

技术细节

晶体面定向的宽带隙钙钛矿共蒸发技术

研究团队开发了一种多源共蒸发策略，通过独立控制六个热源（包括PbCl₂共源），将化学计量比精度与结晶动力学解耦，实现了1.67-eV宽带隙钙钛矿的生长。实验发现，在不使用引子层（seed-free）的情况下，添加5 mol% 的PbCl₂能显著改善膜质。XRD测试显示，这种方法制备的薄膜在 (100) 晶面表现出强烈的择优取向，且 (100) 峰的半高宽比其他协议窄了两倍，表明晶体质量大幅提升。此外，该方法有效抑制了不稳定的 PbI₂ 相的形成，这对于提高器件稳定性至关重要。通过原位广角 X 射线散射（GIWAXS）观察发现，薄膜在 135°C 的环境退火过程中，晶粒逐渐转变为“面向上”的定向结构，结晶度提升了约 30 倍。这种高度取向且均匀的晶粒结构克服了真空沉积钙钛矿长期存在的晶粒细小、排列混乱的难题，为实现高效率奠定了物理基础。

图  晶面定向共蒸WBG钙钛矿

全真空沉积薄膜与器件的稳定性表征

在 ISOS-L-2 严苛协议（75°C、全光谱模拟光照）下的老化测试表明，蒸发法制备的薄膜稳定性显著优于溶液法。光学显微镜观察到溶液法薄膜表面存在严重的“皱纹”，这是导致局部卤化物非均匀性和加速光诱导降解的主因，而蒸发薄膜表面平整，无此类缺陷。XRD 进一步证实，溶液法薄膜在 48 小时内就开始快速降解并形成 PbI₂，而蒸发法薄膜在 144 小时后才出现轻微变化。在全电池器件测试中，全真空沉积电池展现出极佳的运行稳定性，冠军器件在老化 1,080 小时后仍保持 80% 以上的初始效率（T₈₀），而未添加钝化剂的溶液法对照组 T₈₀ 不足 80 小时。此外，蒸发器件在氮气储存条件下表现出超 20,000 小时的“货架寿命”。这些结果证明，消除高配位溶剂残留、改善晶面取向和结晶度，是实现真空沉积器件长期运行鲁棒性的关键。

图  钙钛矿薄膜老化特性

电荷提取质量与降解机制的深度剖析

为了揭示降解背后的科学原理，研究者利用原位超光谱成像技术监控了老化过程中的绝对光致发光（PL）特性。分析发现，溶液法器件由于局部成分非均匀性，在偏压下会出现明显的“亮点”，这些区域电荷提取效率极低，且在老化过程中会像“缺陷种子”一样诱导周围区域劣化。相比之下，蒸发法器件的发光分布高度均匀，电荷提取质量（QCE）在老化过程中保持稳定。通过构建电荷提取伪 JV 曲线（ex-JV）并引入偏压相关的理想因子处理，研究证实溶液法器件的 Voc 损失与界面电荷积累和离子屏蔽效应密切相关，而蒸发法器件则有效缓解了这些电荷提取瓶颈。这种微观光谱证据与宏观器件性能高度吻合，明确了维持高效电荷提取能力是提升真空蒸发器件稳定性的根本原因。

图  PSC特性描述

图  衰老电池的Operando高光谱成像分析

钙钛矿/硅叠层电池的高效率与户外性能验证

研究团队将这一真空技术成功应用于叠层太阳能电池，在微米级纹理的工业标准硅异质结（HJT）电池上实现了均匀沉积。通过结合溶液法处理的自组装单分子层（SAM）和钝化技术，实现了 1-cm² 叠层电池 27.2% 的效率和 1.87 V 的高 Voc。更具现实意义的是，全真空沉积的叠层电池在意大利博尔扎诺进行了为期八个月的户外测试。结果显示，其性能比（PRtc）在运行八个月后仍保持在初始值的约 80%，其衰减趋势与参考单晶硅电池具有可比性，尽管叠层电池对季节性辐照变化表现出稍高的敏感性。这一成果不仅刷新了蒸发法叠层电池的效率纪录，更通过长时间的实地测试验证了真空制造工艺在复杂环境下的应用前景，展示了全真空无溶剂制造方案在实现高效、耐用光伏器件方面的巨大潜力。

图  老化电池的电荷提取伪电流-电压特性

展望

本文通过创新性的六源共蒸发路径与晶面定向工程，成功解决了全真空沉积钙钛矿薄膜质量不佳的瓶颈。研究不仅实现了单结及叠层电池效率的显著突破，更结合原位超光谱成像揭示了电荷提取效率对器件长效运行的决定性影响。八个月的户外实地运行数据证明，真空制造技术具备生产高稳定性光伏器件的工业竞争力，为下一代高效、环保的钙钛矿商业化提供了坚实的工艺路线支撑。

参考文献：

Shen, X., Hui, W.T., Hu, S. et al. Crystal-facet-directed all-vacuum-deposited perovskite solar cells. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02494-w