钙钛矿太阳能电池，又发Science！

米测MeLab

2026-05-08

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

甲脒碘化铅(FAPI)因其约1.45至1.5 eV的近乎理想的带隙和优异的热稳定性，成为单结钙钛矿太阳能电池的理想候选材料。

关键问题

目前，甲脒碘化铅的应用主要存在以下问题：

1、纯相FAPI的结构不稳定性

FAPI的形成能较高，使其黑色相在室温下趋向于向不具备光活性的黄色相转变，难以制备出高质量且长效稳定的纯FAPI薄膜。

2、氯添加剂的作用机制不明

虽然氯化物被广泛用作稳定剂，但其在晶格中的具体掺入情况及如何调节降解路径一直缺乏直接证据，通常认为氯在退火过程中会完全挥发。

新思路

有鉴于此，莱斯大学Aditya D. Mohite等人利用两种协同添加剂（15 mol % 氯化甲脒FACl和0.5 mol % BA₂PbI₄）制备了薄膜，其中FACl确保了氯的掺入，而两种添加剂共同产生压缩晶格应变，稳定了FAPI黑相，并在降解过程中绕过了黄色相的形成。协同添加剂策略揭示了从面共享的2H、4H、6H和8H相向角共享3C黑相的有利转变。采用p-i-n结构的太阳能电池平均光电转换效率 (PCE) 达24.1%，在85° ± 5°C、1个标准太阳光照及开路条件下运行1200小时后仅损失2%的效率。在15倍太阳光强、90°C下老化400小时以上后，稳定的黑3C相并非通过2H-PbI₂相降解，而是通过能量上坡的3R-PbI₂相降解。

技术方案：

1、通过多型预测了FAPI的形成和降解

通过DFT模拟证实氯掺杂可开辟阶梯式中间相结晶路径，并从能量学上将降解导向高能垒的 3R-PbI₂通道。

2、原位表征了薄膜结构

原位WAXS确证了结晶过程的多型渐进性，NMR首次直接证实氯掺入晶格，显著提升了薄膜的取向度和晶体质量。

3、分析了降解机理

加速老化实验证实FAPI-CA彻底绕过黄色相，通过结构更相容但能量上坡的3R-PbI₂路径降解，极大地延缓了失效。

4、展示了器件性能稳定

电池效率达25.1%，且在85°C热光联合压力下实现了超过1200小时的极高性能保持率。

技术优势：

1、首次实现了降解路径调控

首次证明氯掺杂能改变FAPI的降解热力学，使其绕过常见黄色相，转而通过一种高能垒的“能量上坡”路径降解为3R-PbI₂，显著提升了材料的本质稳定性。

2、揭示了多型驱动的阶梯式结晶过程

研究揭示了协同添加剂如何引导FAPI通过一系列多型中间相（4H, 6H, 8H）实现高质量结晶，形成了具有极低微观应变和高度择优取向的(100)纯相薄膜。

技术细节

通过多型预测FAPI的形成和降解

作者利用密度泛函理论(DFT)和机器学习原子间势模拟，系统对比了纯FAPI与氯掺杂系统的相变路径。结果显示，从全阶面共享的2H相直接转变为全角共享的3C相需要克服极大的能垒。然而，氯的引入显著降低了包含混合角共享和面共享结构的中间多型相（如4H、6H和8H）的相对能量。这为FAPI的生长提供了一条热力学上有利的阶梯式路径，使系统能以更低的能量成本逐步构建稳定的3C黑相。在降解路径方面，计算发现碘化物系统倾向于形成稳定的2H-PbI₂，而氯掺杂则诱导形成3R-PbI₂。由于3R-PbI₂的形成能更高且层间堆叠模式不同，这条降解路径在能量上是“上坡”的，从而从理论上预示了氯掺杂薄膜具有更强的抗分解能力。

图  通过多型计算 FAPI 的形成和降解

原位FAPI形成和薄膜表征

研究通过原位广角 X 射线散射 (WAXS) 证实，加入协同添加剂 (FAPI-CA) 后，薄膜在结晶过程中清晰地展现出 2H→4H/8H→6H→3C 的渐进演变路径，起始相变温度显著降低至约 70°C。通过超高场固态 NMR 实验，作者首次在退火后的薄膜中直接观察到了氯在钙钛矿晶格中的信号，打破了“氯完全挥发”的传统认知。表征结果表明，相比于导致随机取向的 MACl 添加剂，FAPI-CA 薄膜展现出极强的 (100) 择优取向、巨大的晶粒尺寸以及平整的表面形貌。Halder-Wagner 分析显示该薄膜具有极低的微观应变和长相干长度，这归功于氯掺杂与 2D 模板协同诱导的压缩应变。此外，FAPI-CA 表现出更长的荧光寿命，证明其缺陷密度极低。

图  FAPI 的原位形成和薄膜的结构表征

FAPI-CA薄膜的降解机理

在 15 倍太阳光强和最高 90°C 的加速老化测试中，FAPI-CA 薄膜展现了卓越的耐久性，即便在 350 小时后仍未见明显分解，而普通薄膜在 200 小时内即由于 MA 挥发或黄色相转变而毁坏。通过 XRD 和 GIWAXS 分析，研究人员发现 FAPI-CA 薄膜的降解产物并非传统的黄色 2H-FAPI 或 2H-PbI₂，而是罕见的 3R-PbI₂相。这一过程被归因为氯掺杂在八面体级别产生的局部压缩应变，使得 3C-FAPI 的晶格间距更接近 3R-PbI₂的 (104) 面，从而引导材料避开了热力学有利的黄色相路径。由于 3R-PbI₂路径具有更高的活化能，这种机理有效地“冻结”了材料的结构，实现了本质上的超长稳定性。

图  FAPI薄膜的降解机理

光伏器件及稳定性

基于 FAPI-CA 薄膜制备的 p-i-n 结构器件实现了 25.1% 的最高光电转换效率，且具有极小的迟滞现象。在稳定性测试中，封装后的 FAPI-CA 器件表现惊人：在 85°C 和 1 个标准太阳光下的开路电压 (V_OC) 条件下运行 1200 小时后，效率保持率仍超过 98% (T₉₈)。此外，在按照 ISOS-L-2 协议（85°C、高湿、最大功率点追踪）进行的 500 小时测试中，器件依然几乎没有衰减。对比之下，传统的 MACl 基器件在 200 小时内效率即跌至 50%。研究指出，这种优异的器件稳定性直接源于薄膜层面成功绕过了黄色相和 2H-PbI₂ 降解通道，为实现商业化所需的长寿命钙钛矿组件提供了切实可行的技术路径。

图  开路条件下的光伏性能和稳定性

展望

本研究通过精妙的协同添加剂设计，利用 FACl 与 2D 钙钛矿模板的相互作用，成功解决了 FAPI 钙钛矿长期以来的相稳定性难题。研究的核心贡献在于不仅揭示了氯掺杂如何调控多型中间相的形成能以优化结晶路径，更通过引入能量上坡的降解机制，从本质上抑制了向黄色相的转变。这种从“成核抑制”到“路径绕行”的策略转变，使钙钛矿太阳能电池在保持高效的同时，展现出了前所未有的商业级稳定性，具有重大的科研与产业价值。

参考文献：

RABINDRANATH GARAI, et al. Bypassing the yellow phase for extremely stable formamidinium lead iodide perovskite solar cells. Science, 2026,392(6798).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb7992#tab-contributors