钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率已突破26%，但其商业化受限于稳定性问题。核心症结在于多晶钙钛矿薄膜在必需的退火过程中不可避免地产生微观应变和面内拉伸应变。这些应变会降低相变势垒、加剧离子迁移，甚至导致层间剥离，尤其在昼夜循环等实际工况下，疲劳效应显著。尽管界面工程和长链分子添加等策略被尝试用于缓解应变，但它们要么仅作用于表面，要么因固态反应动力学不足而抑制晶粒生长，或因其绝缘性损害载流子传输。因此，亟需一种能从根源上消除退火诱发应变的普适性方法。
针对以上难题，武汉理工大学黄福志、程一兵、卜童乐及佛山仙湖实验室李琪等研究者提出一种“液体介质退火”策略，将可熔融添加剂1,4-丁磺内酰胺（BSA）引入钙钛矿前驱体薄膜。在退火过程中，BSA熔化为液体，促进晶界重构和晶体重排，从而获得大尺寸、无应变的钙钛矿晶粒。同时，液态BSA有助于在底部界面形成保形的自组装分子（Me-4PACz）空穴传输层，进一步缓解拉伸应变。所得太阳能电池实现了26.79%的功率转换效率，并在ISOS-V-2测试（1000小时）和昼夜循环测试（1500小时）后分别保持了初始效率的95%和98%。
相关研究成果以“Additive-assisted liquid medium annealing relieving strains in perovskite solar cells for improved stability”为题，发表在Nature Energy上。
图1 液体介质微应变调节
图1展示了液体介质退火策略消除钙钛矿薄膜微观应变的机制与效果。作者对比了传统固态退火与BSA辅助的液体介质退火过程：在传统方法中，溶剂快速挥发后固体薄膜的晶界处残留大量微观应变；而在目标方法中，熔融的BSA在晶界处形成液体层，促进晶界重构与晶体重排。通过扫描电镜（SEM）观察退火前后的薄膜截面可知，BSA的引入使晶粒显著增大，且每个晶粒被BSA包裹。威廉森-霍尔（Williamson-Hall）分析表明，目标薄膜在退火30秒后的微观应变（5.60×10⁻⁴）已降至对照薄膜（1.77×10⁻³）的三分之一以下，最终退火完成后几乎实现无应变晶界。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和定量纳米力学原子力显微镜（QNM-AFM）进一步证实，目标薄膜的PbI₂信号消失，晶界处的模量比晶粒内部高出2-5 GPa，表明缺陷被有效抑制。值得注意的是，该液体介质方法通过动力学优势实现了固态反应无法达到的应变消除效果。
图2 拉伸应变调节及光电性能
图2阐述了BSA如何通过优化埋底界面来缓解拉伸应变。作者利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和原子力红外光谱（AFM-IR）发现，在退火过程中，液态BSA能将Me-4PACz分子高效输运并富集到钙钛矿/ITO底界面，形成致密且保形的Me-4PACz/BSA复合层。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像显示，对照样品底部存在空隙和不完全接触，而目标样品则形成连续、均匀的中间层。分子动力学（MD）模拟证实，BSA的存在使Me-4PACz分子更均匀地填充界面间隙，增强了钙钛矿与ITO之间的桥接。掠入射X射线衍射（GIXRD）应变演化分析表明，随着退火进行，对照薄膜的拉伸应力从55.89 MPa持续上升至88.21 MPa，而目标薄膜的拉伸应力则从52.24 MPa显著下降至11.33 MPa。原位加热XRD实验进一步显示，目标薄膜的(001)晶面间距在85°C加热6小时内几乎不变（仅从6.352 Å微增至6.357 Å），而对照薄膜则发生明显晶格膨胀和相变。作者认为，正是这种由BSA介导的底部界面重构，有效缓冲了钙钛矿与衬底间的热膨胀失配，从而大幅提升了结构的抗应变能力。
图3 器件表征和大规模薄膜沉积
图3评估了基于BSA策略制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能与规模化潜力。作者制备了p-i-n结构器件，其电流密度-电压（J-V）曲线显示，目标器件的冠军效率从对照组的24.63%提升至26.79%，其中开路电压（V_oc）、短路电流密度（J_sc）和填充因子（FF）均获得显著提高。最大功率点跟踪（MPPT）测试表明，目标器件在300秒内效率稳定在26.27%，且衰减可忽略，认证稳态效率达26.14%。外量子效率（EQE）积分得到的Jsc为25.92 mA cm⁻²，与J-V测试结果吻合。光强依赖的Voc测试显示，理想因子从1.92降至1.26，表明陷阱辅助复合被大幅抑制。莫特-肖特基（Mott-Schottky）分析得出内建电压从0.95 V提升至1.04 V。更重要的是，该策略可扩展至刮涂法：5×5 cm²的微型组件（有效面积12.96 cm²）实现了23.76%的效率。这些数据说明，通过消除微观应变和拉伸应变，BSA不仅提升了小面积器件的效率，也为大面积印刷制备高性能组件提供了可行路径。
图4 复杂刺激下的稳定性研究
图4验证了应变消除策略在复杂工况下对钙钛矿太阳能电池稳定性的提升作用。作者首先测试了器件的反向偏压耐受性，BSA处理组的平均击穿电压从6.40 V提高到8.92 V。在-3 V反向偏压持续30分钟后，对照器件的效率下降了约10%，而目标器件仍保持超过23%的效率。光致发光（PL）强度演化进一步证实，应变松弛显著抑制了离子迁移。在更为严苛的ISOS-V-2加速老化协议下（-V_oc、85°C、暗态），对照器件在约600小时后效率降至初始的80%，而目标器件在1000小时后仍保留95%的初始效率。尤为关键的是，作者设计了模拟真实环境的昼夜循环测试（12小时85°C光照最大功率点跟踪 + 12小时20±5°C暗态）。经过63个循环（总计约1500小时），目标器件仍保留约98%的初始效率，而对照器件在16个循环后便已衰减至80%左右。作者总结道，这种通过液体介质退火实现的应变消除策略，显著增强了钙钛矿太阳能电池对电、热、光等多重外部刺激的抵抗能力，尤其是抗疲劳性能，为其实用化铺平了道路。
该项研究证实，退火过程中形成的液体介质（BSA）能够同时消除微观应变（通过快速成分均质化和晶界重构）和缓解拉伸应变（通过优化底部界面，形成致密的Me-4PACz/BSA缓冲层）。这一策略显著提升了钙钛矿太阳能电池的器件效率与长期稳定性，为制备高质量、稳定的钙钛矿异质结开辟了新思路，有力推动了PSC的商业化进程。
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
