鈣鈦礦光伏材料憑借近年來(lái)不斷刷新的器件效率紀(jì)錄，以及高性能與低成本兼具的優(yōu)勢(shì)，成為下一代太陽(yáng)能電池發(fā)展的重要方向。不過，器件制備時(shí)必需的熱退火步驟雖能推動(dòng)晶體生長(zhǎng)與結(jié)晶完善，卻常引發(fā)表面缺陷增加、結(jié)構(gòu)退化等問題——尤其是熱結(jié)晶過程中難以避免的表面碘空位缺陷，會(huì)作為“觸發(fā)源”導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)逐步降解，還會(huì)伴隨晶格無(wú)序加劇、離子遷移增強(qiáng)及不利自摻雜效應(yīng)，最終使器件性能與穩(wěn)定性顯著下降，這是制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提升和長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵難題。

針對(duì)這一核心挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)物理學(xué)院先進(jìn)功能材料與器件物理團(tuán)隊(duì)的梁超教授，聯(lián)合廈門大學(xué)張金寶教授團(tuán)隊(duì)，提出了全新的固態(tài)分子壓印退火（Molecular Press Annealing，MPA）策略。該方法在熱退火時(shí)，將致密的吡啶基分子模板原位壓印在鈣鈦礦表面，無(wú)需引入任何溶劑，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的分子級(jí)“原位約束”。其中，精心設(shè)計(jì)的配體分子2-吡啶乙胺可與表面欠配位的鉛離子形成穩(wěn)定雙齒配位結(jié)構(gòu)，在整個(gè)退火過程中持續(xù)穩(wěn)固鈣鈦礦鉛碘骨架，有效抑制碘空位的生成與擴(kuò)散，從根源阻斷熱誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)退化。

借助這一策略，鈣鈦礦薄膜在結(jié)晶過程中實(shí)現(xiàn)了高結(jié)晶質(zhì)量與低缺陷密度的協(xié)同優(yōu)化，電荷輸運(yùn)與收集效率大幅提升。基于該技術(shù)制備的n-i-p結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，0.08 cm2小面積器件效率達(dá)26.6%（權(quán)威認(rèn)證為26.5%），1 cm2器件效率為24.9%，16 cm2模組器件仍保持23.0%的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，器件穩(wěn)定性卓越：在85℃、60%相對(duì)濕度（ISOS-L-3標(biāo)準(zhǔn)）的連續(xù)工作條件下運(yùn)行1600余小時(shí)后，仍保留98%以上初始效率；在環(huán)境存儲(chǔ)條件（ISOS-D-1標(biāo)準(zhǔn)）下放置超5000小時(shí)，性能幾乎無(wú)明顯衰減。

近日，該成果以《分子壓印退火實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池》（Molecular press annealing enables robust perovskite solar cells）為題，于1月9日在《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表，標(biāo)志著西安交通大學(xué)在鈣鈦礦材料與器件物理研究領(lǐng)域再獲重大突破。

西安交通大學(xué)物理學(xué)院為通訊作者單位，博士研究生林越辛是共同第一作者，梁超教授為通訊作者，廈門大學(xué)材料學(xué)院張金寶教授、楊麗助理教授為共同通訊作者。研究得到西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心在材料結(jié)構(gòu)測(cè)試與分析上的支持，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計(jì)劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、電工材料電氣絕緣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。

圖1 MPA工藝及鈣鈦礦薄膜退火過程中的實(shí)時(shí)表征。（A）2-Pyy壓印薄膜的制備過程。（B）鈣鈦礦退火過程中MPA的工藝流程。（C）和（D）分別為對(duì)照組和MPA處理組鈣鈦礦薄膜的原位光致發(fā)光強(qiáng)度隨退火時(shí)間的變化曲線。（E）對(duì)照組和MPA處理組FAPbI3鈣鈦礦衍射峰的時(shí)間分辨原位XRD強(qiáng)度演變曲線，插圖為強(qiáng)度映射圖像。（F）PbI2衍射峰的積分強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。

圖2 MPA策略功能機(jī)制的理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（A至D）對(duì)照薄膜在423 K模擬熱退火條件下的快照。（E至H）MPA處理薄膜在423 K模擬熱退火條件下的快照，展現(xiàn)增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與降低的動(dòng)態(tài)無(wú)序性。（I）不同配位基序的配體工程化吡啶基分子在鈣鈦礦表面的吸附能。（J）對(duì)照薄膜和MPA處理薄膜中空位缺陷的形成能。（K）退火后對(duì)照薄膜和MPA處理薄膜的C 1s高分辨率XPS譜圖。（L）和（M）分別為對(duì)照組和MPA處理組鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的深度依賴性陷阱密度分布圖。

圖3 鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和降解機(jī)制的表征。（A）和（B）分別為對(duì)照組（A）和MPA處理組（B）薄膜的太赫茲光電導(dǎo)譜。（C）和（D）分別為常規(guī)退火與MPA策略及功能機(jī)制過程中鈣鈦礦降解路徑的示意圖。（E）和（F）分別為對(duì)照組和MPA處理組薄膜的開爾文探針力顯微鏡表面電勢(shì)圖。（G）和（H）分別為沿（E）和（F）中紫色標(biāo)記線的線掃描輪廓圖。（I）和（J）分別為對(duì)照組和MPA處理組薄膜的導(dǎo)電原子力顯微鏡電流圖。（K）和（L）分別為沿（I）和（J）中紫色路徑的線輪廓圖。

圖4 MPA策略的光伏性能和普適性。（A）傳統(tǒng)溶液法鈍化與固態(tài)MPA策略制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池J-V曲線。（B）基于MPA策略的1 cm2大尺寸器件J-V曲線。（C）器件性能統(tǒng)計(jì)分析，用于測(cè)試MPA技術(shù)的重復(fù)性。（D）ISOS-L-3協(xié)議下對(duì)照組與MPA處理組器件的運(yùn)行穩(wěn)定性。（E）ISOS-D-1協(xié)議下未封裝的對(duì)照組與MPA處理組器件在環(huán)境條件下的避光長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試。

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