近日，国际著名综合性学术期刊《科学》（Science）在一周之内在线发表了两篇北京大学材料科学与工程学院周欢萍团队在钙钛矿太阳能电领域的最新研究成果——“Nonalloyed α-phase formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation”（2025年1月17日发表）及“Wafer-scale monolayer MoS₂ film integration for stable, efficient perovskite solar cells”（2025年1月10日发表）。

有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料以其优越的光电性能和低廉的成本成为最有前景的新一代光伏材料。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，但在同时实现高效率和足够的稳定性方面仍然存在挑战。卤化物钙钛矿由于其离子软晶格特性，在太阳能电池运行过程中容易发生组分的降解及界面接触的退化。如何大幅提升钙钛矿材料的本征稳定性，并抑制关键界面的退化，是钙钛矿光伏在产业化进程中必须要解决的两个科学挑战。

在组分方面，甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI₃）因其优异的光电性能、低成本和良好的热稳定性，成为了高效单结太阳能电池最具潜力的吸收层材料之一。然而，由于尺寸容忍因子失配，纯FAPbI₃钙钛矿在室温下表现出复杂的结晶动力学和亚稳态热力学特性，这使得其在实际应用中面临结晶质量和稳定性方面的巨大挑战。尽管通过组分合金化策略（如添加甲铵盐酸盐、铯盐等）可以有效调控甲脒基钙钛矿的结晶过程及薄膜光电性能，但是组分添加剂的残留往往又带来相分离、热不稳定及潜在的亲核化学反应等负面影响。制备高质量、非合金化（真正纯组分）的α-FAPbI₃钙钛矿薄膜及相应器件面临挑战。针对上述问题，周欢萍团队提出了一种创新的碘嵌入-脱嵌策略，成功制备了高质量的非合金化α-FAPbI₃钙钛矿薄膜，从而显著增强了相应钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究表明，碘单质与碘离子存在强键合作用，所形成的多碘离子介导的优势钙钛矿结晶动力学路径显著降低了α-FAPbI₃的形成势垒。同时，碘单质易升华的性质使其在退火过程中从钙钛矿晶格中完全脱嵌，最终形成无任何外源离子残留的高质量非合金化α-FAPbI₃薄膜。基于上述非合金化α-FAPbI₃，相应组分的钙钛矿太阳能电池实现了超过24%的光电转换效率，同时，电池在85℃、持续1 Sun照射下在最大功率点跟踪1100小时后保留初始效率的99%。

图1.（A）非合金钙钛矿组分设计和优点示意图。（B）碘介导的α-FAPbI₃结晶动力学机制示意图。（C）有无多碘化物参与的FAPbI₃形成反应的能量变化与反应进程的关系图。（D）器件运行稳定性（85°C，100 mW cm^-2）

在界面方面，卤化物钙钛矿中的离子迁移行为和相对较弱的界面成键，使得其在太阳能电池运行过程中容易从界面处首先发生降解。即使通过封装来隔离水分和氧气，钙钛矿在热、光照和电场下的界面不稳定性仍然是商业化之前需要解决的关键问题。针对此问题，周欢萍团队和北京大学材料学院张艳锋团队合作，将晶圆级连续单层MoS₂集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究表明，晶圆级MoS₂插层由于连续二维形态，从物理上最大程度地阻挡了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移。而且，MoS₂通过与钙钛矿强配位相互作用在化学上钝化了缺陷并稳定钙钛矿相态。基于MoS₂/钙钛矿/MoS₂结构的钙钛矿太阳能电池原型器件和微型组件分别实现了高达26.2%（认证稳态效率为25.9%）和22.8%的光电转换效率。此外，电池表现出改善的湿热稳定性（在85℃和85%相对湿度下老化1200小时后保留初始效率的95%）、光照稳定性（在连续一个太阳照射下在开路状态下老化2000小时后保留初始效率的96.6%）和运行稳定性（在室温下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪2000小时后效率基本没有衰减，在85℃下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪1200小时后保留初始效率的96%）。

图2.（A）MoS₂薄膜异质层机械转移沉积示意图。（B）MoS₂薄膜在PTAA基底及钙钛矿基底上的照片。（C）在中国计量科学研究院测试的最优电池的J-V曲线和稳定功率输出。（D）最优微型组件的J-V曲线和照片。（E）85℃环境中AM 1.5G 照射下封装电池的最大功率点跟踪

这两项研究表明通过组分化学工程及界面异质层工程的努力可以显著提高钙钛矿材料的组分本征稳定性及界面稳定性，所获得的高质量非合金化α-FAPbI₃材料及晶圆级连续单层MoS₂界面异质层为钙钛矿光伏技术的持续研发和产业化提供了兼具本征稳定和优异光电性能的解决方案。研究还为其它软离子晶格的光电材料的组分及界面稳定化提供了新的调控思路。

周欢萍课题组博士后张钰和博士研究生陈彦润为论文“Nonalloyed α-phase formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation”的共同第一作者。周欢萍为本文独立通讯作者。合作者还包括江南大学刘桂林课题组、北京理工大学陈棋课题组等。周欢萍课题组博士后宰华超（现已出站）、张艳锋课题组博士研究生杨鹏飞（现已毕业）、西安电子科技大学副教授苏杰、周欢萍课题组博士研究生尹瑞阳为论文 “Wafer-scale monolayer MoS₂ film integration for stable, efficient perovskite solar cells”的共同第一作者。周欢萍和张艳锋为本文共同通讯作者。合作者还包括中国地质大学（北京）黄朝晖课题组、西安电子科技大学常晶晶课题组、北京理工大学陈棋课题组。上述工作均得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、腾讯基金科学探索奖、中国石油天然气集团公司-北京大学基础研究战略合作、中石化种子工程、云南省科技攻关等项目的联合资助。

转载自：北京大学新闻网