武汉理工大学黄福志/卜童乐团队最新NE:液态介质退火策略,系统性解决钙钛矿应力难题

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发表期刊：Nature Energy | 发表时间：2026.05.22

研究背景

钙钛矿太阳能电池效率已突破 26%，但退火过程引入的本征应力，是制约其长期稳定性与产业化的核心瓶颈。传统固态退火过程中，溶剂快速挥发、晶体无序生长，会在钙钛矿薄膜内部形成微应变、面内拉应力，引发晶格畸变、缺陷富集、离子迁移加剧，最终导致薄膜开裂、界面脱层、性能快速衰减。现有界面工程、掺杂改性等策略，仅能缓解表面应力，无法从晶体生长源头消除体相应力；而固态反应动力学不足，难以兼顾高结晶度与低应力的双重需求。因此，开发可从生长过程调控、系统性缓解体相应力的新策略，是突破钙钛矿稳定性瓶颈的关键科学问题。

研究内容

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh3884

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文章图文：

图1 | 液相介质调控微观应变

a、传统退火与液相介质辅助退火过程中的应变演化。b、对照组与目标薄膜退火前后的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺：500纳米。c、对照组与目标薄膜在四个退火时间点的微观应变演化曲线。插图：退火后对照组与目标薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱，入射光束角度范围为0.4°至1.2°。ε：微观应变。d、对照组与目标钙钛矿薄膜的原子力显微镜定量纳米力学（QNM-AFM）映射图（采用DMT模型；白色虚线为剖面线；比例尺：2微米）。

图 2 | 拉伸应变调控与光电性能

a、退火后，对照组与目标异质结在 ITO 基底上的飞行时间二次离子质谱（TOF‑SIMS）图谱。b、上图：对照组与目标异质结的截面高角环形暗场（HAADF）图像（比例尺：200 纳米）。下图：有无 BS 分子参与的分子动力学（MD）模拟侧视图。c、对照组与目标薄膜在四个退火时间点的拉伸应力演化曲线（箭头表示演化趋势）。d、对照组与目标样品在 85℃原位加热条件下，（001）晶面间距演化（箭头表示演化趋势）。e、无 BS（对照组）、有 BS（目标），以及进一步引入 Me‑4PACz 时，钙钛矿底面的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线。f、由紫外光电子能谱（UPS）结果得到的能级图。WF：功函数；EF：费米能级；VB：价带；HTL：空穴传输层。

图 4｜复杂条件下稳定性研究

a、不含 BS 与含 BS 钙钛矿太阳能电池的电流 - 电压曲线（扫描范围：3.0 V 至−10.0 V）。（每组测试 5 个电池；击穿电压以灰色虚线圆圈标注。）b、对照组钙钛矿太阳能电池在反向偏压（−3 V）作用下，效率随时间变化的统计分布。c、目标组钙钛矿太阳能电池在反向偏压（−3 V）作用下，效率随时间变化的统计分布。（箱体表示数据 25%–75% 区间，须线为 1.5 倍四分位距；每组 4 个器件统计中位数线与平均值点。）d、对照组与目标组钙钛矿太阳能电池在−VOC、85℃、黑暗条件下（封装，相对湿度 40±5%）的效率演化。数据为平均值 ± 标准差；误差线基于 4 个器件平均值计算标准差。插图：钙钛矿太阳能电池在−VOC、85℃反向偏压下的老化过程。e、1 个对照组与 1 个目标组钙钛矿太阳能电池在 24 小时昼夜循环模拟追踪条件下的效率演化（12 小时 85℃最大功率点追踪、12 小时黑暗 20±5℃）。数据为平均值 ± 标准差；误差线基于单个周期内 721 个效率值计算标准差。插图：钙钛矿太阳能电池在 85℃最大功率点追踪 12 小时、黑暗 20±5℃12 小时交替循环下的老化过程。

实验步骤：

材料：

N,N - 二甲基甲酰胺（无水，99.8%）、二甲基亚砜（无水，99.9%）、氯苯（无水，99.8%）、乙腈（无水，99.8%）、4 - 叔丁基吡啶和双三氟甲磺酰亚胺锂（>98%）购自西格玛 - 奥德里奇公司。碘化铅（99.99%）、甲脒碘化物（99.99%）、甲胺碘化物（99.99%）、碘化铯（99.9%）以及图案化氧化铟锡玻璃基底购自先进电子技术公司。2,2',7,7'- 四 [N,N - 二 (4 - 甲氧基苯基) 氨基]-9,9'- 螺二芴购自发光技术公司。银（99.995%）购自河北久岳先进材料有限公司。β- 环糊硫酸钠购自麦克林公司。所有化学品均直接使用，未进一步纯化。

前驱体溶液制备

将碘化铅（691.5 毫克，1.5 毫摩尔 / 毫升）溶于 N,N - 二甲基甲酰胺 / 二甲基亚砜（体积比 9:1），室温搅拌 24 小时，配制三维钙钛矿前驱体溶液。将甲脒碘化物（90 毫克）、甲胺碘化物（6.4 毫克）和氯化甲胺（9 毫克）溶于 1 毫升异丙醇，配制有机盐溶液。将 2,2',7,7'- 四 [N,N - 二 (4 - 甲氧基苯基) 氨基]-9,9'- 螺二芴溶于氯苯，配制成 72.3 毫克 / 毫升溶液；加入 28.8 微升 4 - 叔丁基吡啶、17.5 微升双三氟甲磺酰亚胺锂乙腈溶液（520 毫克 / 毫升）作为添加剂。将 β- 环糊硫酸钠溶于去离子水 / 异丙醇（体积比 3:1），配制成 4 毫克 / 毫升溶液。

器件制备

氧化铟锡玻璃基底依次用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗各 20 分钟，氮气吹干后，使用前进行空气等离子体处理 10 分钟。

氧化锡胶体溶液用去离子水稀释至 2.73%，以 3000 转 / 分钟旋涂 30 秒，空气中 150℃退火 30 分钟，形成均匀致密氧化锡层。

基底经紫外臭氧处理 10 分钟后，将 β- 环糊硫酸钠溶液以 3500 转 / 分钟旋涂 25 秒，80℃干燥退火 20 分钟。

取 40 微升碘化铅前驱体溶液，1500 转 / 分钟旋涂 30 秒，70℃退火 1 分钟，冷却至室温。取 70 微升有机盐溶液，2000 转 / 分钟旋涂 30 秒；立即转移至湿度 30%–40% 空气环境，150℃退火 30 分钟，形成钙钛矿薄膜。

配体后处理：将苄胺盐酸盐、苯甲脒盐酸盐、邻脒基吡啶盐酸盐、间脒基吡啶盐酸盐、对脒基吡啶盐酸盐、间氨基甲基吡啶盐酸盐（4 毫克 / 毫升异丙醇溶液），以 5000 转 / 分钟旋涂 30 秒；滴加异丙醇后，70℃退火 10 分钟。

旋涂 2,2',7,7'- 四 [N,N - 二 (4 - 甲氧基苯基) 氨基]-9,9'- 螺二芴溶液，3500 转 / 分钟旋涂 30 秒。

高真空下热蒸镀 100 纳米金电极，沉积速率 1.0 埃 / 秒；器件有效面积为 0.072 平方厘米。