武汉理工大学黄福志、程一兵、卜童乐、佛山仙湖实验室李琪Nature Energy!破局商业化瓶颈!全新策略!钙钛矿电池应变难题终被攻克

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钙钛矿太阳能电池凭借优异光电性能，光电转换效率现已突破 26%，具备低成本、易制备等突出优势，是下一代光伏产业重点发展方向。但长期以来，器件稳定性短板严重制约其规模化商用进程。多晶钙钛矿薄膜制备必经退火工序，该过程会不可避免产生微观应变与面内拉伸应变，这类内部应力会降低材料相变势垒、加速内部离子迁移，甚至引发薄膜层间剥离现象。在实际应用的昼夜温度循环工况下，薄膜易产生疲劳效应，造成电池性能持续衰减。目前行业已尝试界面修饰、长链分子掺杂等常规手段缓解应变，但现有技术仅能作用于薄膜表层，或受固态反应动力学限制阻碍晶粒生长，部分绝缘改性材料还会干扰载流子正常传输，无法从根源解决退火诱发的应变问题。在此背景下，开发一种普适性强、兼顾成膜质量与光电性能的应变调控新技术，成为推动钙钛矿太阳能电池落地应用的核心任务。

在这项研究中，研究人员联合武汉理工大学黄福志、程一兵、卜童乐及佛山仙湖实验室科研人员，创新提出添加剂辅助液体介质退火全新调控策略。研究将可熔融的 1,4 - 丁磺内酰胺（BSA）掺杂至钙钛矿前驱体薄膜，退火阶段 BSA 受热熔化为液态，依托液态介质特性推动晶界重构与晶粒有序重排，最终制备出大尺寸、低应变的钙钛矿晶粒。同时熔融态 BSA 可辅助空穴传输层分子在电池底部界面形成均匀自组装结构，进一步缓释界面拉伸应变。测试数据显示，优化后的钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到 26.79%，经过 ISOS-V-2 标准 1000 小时老化测试后，仍保留 95% 初始效率；模拟实际应用的 1500 小时昼夜循环测试中，器件效率留存率更是高达 98%。相关研究成果已正式发表于国际顶级期刊 Nature Energy，为钙钛矿电池应变调控提供了全新技术路径。

本研究系统验证了 BSA 液体介质退火策略在钙钛矿太阳能电池中的双重调控作用，熔融态添加剂可同步消除薄膜微观应变与界面拉伸应变，一方面借助液相环境实现成分快速均质化与晶界重构，大幅降低内部微观应力；另一方面通过重构电池底部界面，构建致密复合缓冲层，有效适配钙钛矿与衬底之间的热膨胀差异。该技术不仅显著提升小面积器件的光电转换效率，还能有效抑制陷阱复合、提升内建电压与反向偏压耐受能力，增强器件对光、热、电场等复杂外界刺激的抵抗性能。同时该工艺兼容刮涂等大面积制备技术，5×5 厘米微型组件可实现 23.76% 的转换效率，具备良好规模化量产潜力。此次研究攻克了退火应变诱发的稳定性核心痛点，完善了钙钛矿薄膜应变调控理论体系，为研发高效率、长寿命的钙钛矿光伏器件开辟了新方向，也为钙钛矿太阳能电池工业化落地筑牢了技术基础。