武汉理工大学,Nature Energy!

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编辑丨风云

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）近年来发展迅速，能量转换效率已超过26%，商业化进程稳步推进。然而，多晶钙钛矿薄膜在制备过程中不可避免地会产生微应变和面内拉伸应变，这些应变会降低相变势垒、加速离子迁移甚至导致层间剥离，成为阻碍其商业化的主要瓶颈，尤其在实际工况的温度波动下极易发生疲劳失效。

关键问题

目前，钙钛矿薄膜的开发主要存在以下问题：

1、应变诱导的性能退化

多晶薄膜中的微应变和拉伸应变是导致钙钛矿在外部刺激下快速降解的根源，目前尚难以在薄膜内部实现有效的应变缓解。

2、传统退火工艺的局限性

结晶所需的传统退火工艺由于溶剂移除过快且固态反应动力学不足，往往会在形成高质量晶体的同时引入难以消除的残余应变。

新思路

有鉴于此，武汉理工黄福志、卜童乐、仙湖实验室李琪等人将1,4-丁烷磺内酰胺（BSA）作为添加剂引入钙钛矿前驱体薄膜中以解决钙钛矿薄膜稳定性的问题。在退火过程中，添加剂发生液化并促进晶界重建和晶体重新组织，从而产生大尺寸、无应变的钙钛矿晶粒。液态环境还促进了作为空穴传输层的自组装分子在钙钛矿底面的保形沉积，进一步最小化了拉伸应变。由此产生的太阳能电池实现了26.79% 的能量转换效率，并在 1000 小时的 ISOS-V-2 测试后保留了 95% 的初始效率，在 85 °C 光照与 20 °C 黑暗之间的 1500 小时昼夜循环测试后保留了 98% 的效率。

技术方案：

1、实现了微应变的深度消除与晶界机械性能的增强

利用 BSA 在退火时形成液相介质，通过液相动力学促进晶界重建与晶体重新组织，实现了微应变的深度消除与晶界机械性能的增强。

2、探究了拉伸应变松弛作用

BSA辅助Me-4PACz在埋底界面实现了保形、致密的组装，形成高效缓冲层，将由于热失配产生的拉伸应力从88.21 MPa降低至11.33 MPa。

3、制造并放大了太阳能电池器件

研究实现了26.79%的纪录效率，并将策略成功推广至大面积组件制备，5×5 cm²组件获得23.76%的优异PCE，展现了良好的工业化潜力。

4、评价了太阳能器件的稳定性

器件在极端偏压、高温加速老化及1500小时复杂的昼夜循环测试中均表现出极高的稳定性，证明应变管理能有效抑制离子迁移与结构疲劳。

技术优势：

1、创新地提出了液相介质退火（LMA）策略

通过引入熔点匹配的 BSA 添加剂，在退火时形成微观液相环境，利用液相动力学优势实现了晶界重建与微应变彻底消除。

2、实现了底界面拉伸应力的协同松弛

借助液态 BSA 辅助空穴传输层分子（Me-4PACz）在埋底界面形成致密保形的缓冲层，有效缓解了热失配产生的拉伸应变并抑制了相变。

技术细节

微应变消除

传统的退火由于溶剂迅速蒸发，固态退火动力学无法提供足够的驱动力来消除晶界处混乱堆积产生的微应变。本研究引入了熔点约为117.2 °C的BSA添加剂，使其在120 °C的退火温度下处于液态，形成一种“液相介质退火”环境。液态BSA包裹在钙钛矿微晶周围，溶解部分晶粒表面，显著促进了物质传输、晶界重建和晶体重新排列。Williamson–Hall分析定量证实，目标薄膜在退火30秒后的微应变仅为对照组的三分之一，且这种差异在整个退火过程中持续存在。最终得到的薄膜具有更大的晶粒尺寸和几乎无应变的晶界。此外，纳米力学绘图（QNM-AFM）显示，目标组的晶界模量显著提升且分布更均匀，平均硬度从0.893 GPa增强至1.227 GPa，这种强化的晶界有效减少了缺陷密度并显著延长了载流子寿命。

图通过液体介质进行微应变调节

拉伸应变松弛

由基底与钙钛矿热膨胀系数不匹配引起的双轴拉伸应变是影响器件稳定性的另一关键因素。研究发现，传统的自组装层沉积方法难以形成连续保形的涂层，导致埋底界面成为应变集中的薄弱环节。通过在钙钛矿前驱液中加入Me-4PACz分子并结合BSA的辅助作用，液态BSA在退火时会重新溶解并携带Me-4PACz向底部迁移，实现在界面的底部约束组装。分子动力学模拟和表征确认，BSA抑制了Me-4PACz的聚集，使其能保形且致密地填充在ITO与钙钛矿之间。GIXRD测试显示，随着退火进行，对照组由于固态接触形成的拉伸应力升至88.21 MPa，而目标组则在液态环境下有效释放应力，最终降至11.33 MPa。这种应变松弛使器件在85 °C加热6小时后晶格参数保持稳定，未出现δ相杂质或PbI₂分解现象。

图拉伸应变调节和光电特性

器件制造和放大

研究制备了结构为ITO/Perovskite/LiF/C₆₀/SnO₂/Ag的p-i-n型太阳能电池。得益于微应变和拉伸应变的全面消除，冠军器件的转换效率（PCE）从24.63%提升至26.79%，填充因子（FF）高达85.38%。测试显示，目标器件的理想因子显著降低（1.92降至1.26），内建电场提升至1.04 V，表明陷阱辅助复合得到了有效抑制。瞬态光电压/电流分析也证实其具有更长的载流子寿命和更快的传输常数。该策略在可扩展印刷技术中表现出优异的普适性，刮涂法制备的小面积电池效率达25.97%。进一步制备的5×5 cm²组件（有效面积12.96 cm²）实现了23.76%的稳态效率。即使在薄膜面积扩大时，BSA的优化效果依然显著，有效解决了大面积薄膜制备中的均匀性和应变积聚问题。

图器件表征和大规模薄膜沉积

稳定性评价

稳定性是PSCs实用化的关键指标。由于应变得到松弛且离子迁移被显著抑制，目标器件的平均击穿电压从6.40 V提升至8.92 V。在-3 V的反向偏压测试中，目标组在30分钟后仍保持23%以上的效率，远优于对照组。在严苛的ISOS-V-2加速老化测试（85 °C叠加反向偏压）中，目标器件在运行1000小时后仍保留95%的初始效率。为了模拟真实工况，研究进行了长达1500小时的昼夜循环稳定性测试（12h 85°C光照MPPT/12h 20°C黑暗休息），目标组在63个循环后效率保持率高达98%，表现出卓越的抗疲劳特性。此外，5×5 cm²组件在ISOS-L-1标准下运行1000小时仅出现10%的衰减，证明了应变消除策略在增强器件应对复杂外部刺激（光、电、热）方面的显著优势。

图复杂刺激下的稳定性考察

展望

本工作通过引入可熔融的 BSA 添加剂，首创了“液相介质退火”策略，从根本上解决了钙钛矿薄膜制备中微应变与拉伸应变难以兼顾消除的问题。该策略不仅显著提升了器件的光电转换效率，更重要的是大幅增强了PSCs在模拟真实环境刺激下的结构稳定性和长期耐久性。这一发现为通过不同物相间的相变特性来调控半导体薄膜质量提供了新视角，对推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程具有里程碑式的指导意义。

参考文献：

Gao, X., Jia, X., Mo, Y. et al. Additive-assisted liquid medium annealing relieving strains in perovskite solar cells for improved stability. Nat Energy (2026).

https://doi.org/10.1038/s41560-026-02072-z