给晶体穿上“防护衣” 我国科学家破解钙钛矿电池稳定性难题

太阳能电池我们并不陌生，当阳光照射在太阳能板上，它们能将光能转化为电能，满足人们的日常用电需求。但主流的硅太阳能电池藏着不少遗憾，不仅成本高、质量大，安装也不够灵活。而钙钛矿太阳能电池恰巧能解决这些问题，它利用碘、铅等元素结晶形成的薄膜来发电，兼具高效率、低成本、可弯曲等优势，可以安装在过去难以放置的地点，即使是阴天或雨天，利用室内光线都能进行发电。可它也一直被一个难题困住：稳定性不高。

为解决这一难题，西安交通大学梁超教授团队联合厦门大学张金宝教授团队，提出了一种全新的固态分子压印退火(Molecular Press Annealing，MPA)策略。该成果以《分子压印退火实现高稳定性钙钛矿太阳能电池》为题，于1月9日在《科学》杂志在线发表。

论文通讯作者梁超介绍，制作钙钛矿多晶薄膜过程中的热退火步骤，虽有助于促进晶体生长与结晶完善，却往往伴随表面缺陷增多和结构退化等问题，尤其是表面碘空位缺陷在热结晶过程中会不可避免地产生，并作为“触发源”诱发钙钛矿结构逐步降解。该过程还伴随着晶格无序加剧、离子迁移增强以及不利的自掺杂效应，最终导致器件性能显著衰减，成为制约钙钛矿太阳能电池效率提升与长期稳定性的关键瓶颈。

研究团队重新审视并利用了热退火这一“既必要又有害”的关键工艺环节，没有回避高温带来的问题，而是通过提出固态分子压印退火策略，将分子尺度的调控引入结晶全过程，实现了对晶体生长和缺陷演化的同步干预。通过将传统热退火中“结晶提升与稳定性劣化”的矛盾转化为协同优化，MPA从根本上缓解了钙钛矿太阳能电池在高效率与长期稳定性之间难以兼顾的核心瓶颈。

MPA工艺及钙钛矿薄膜退火过程中的实时表征。受访者供图

“该方法在热退火过程中，将一种吡啶基分子模板直接压印在钙钛矿薄膜表面，不需要添加任何额外溶剂，就能从分子层面‘实时约束’钙钛矿的缺陷演化。”梁超介绍，其中，优化设计的配体分子2-吡啶乙胺能够与表面欠配位的铅离子形成稳定的双齿配位结构，在整个退火过程中持续稳固钙钛矿铅碘骨架，有效抑制碘空位的生成与扩散，从源头阻断热诱导的结构退化。

得益于该策略，钙钛矿薄膜在结晶过程中实现了高结晶质量与低缺陷密度的协同优化，显著提升了电荷输运与收集效率。基于该技术制备的n-i-p结构钙钛矿太阳能电池，小面积器件(0.08 cm2)效率达到26.5%，在1 cm2器件上实现了24.9%的高效率，在16 cm2模组器件上仍可保持23.0%的光电转换效率。

同时，器件展现出卓越的长期稳定性。在85℃、60%相对湿度(ISOS-L-3标准)的连续工作条件下运行1600余小时后，仍可保持98%以上的初始效率;在环境存储条件(ISOS-D-1标准)下超过5000小时，性能几乎无明显衰减。

论文共同第一作者、西安交通大学博士研究生林越辛介绍，通过同时提升效率、稳定性和可扩展性，该技术实质性提高了钙钛矿太阳能电池的工程可行性和产业成熟度，推动该领域向实际光伏应用迈出关键一步。