Advanced Energy Materials: 底部锚定实现阳离子均匀分布与无应变结晶,打造高效稳定倒置钙钛矿太阳能电池-每日快报

江西理工大学团队Advanced Energy Materials：底部锚定实现阳离子均匀分布与无应变结晶，打造高效稳定倒置钙钛矿太阳能电池

【文章信息】

Bottom Anchoring Enables Uniform Cations and Strain‐Free Crystallization for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells

(资料图)

第一作者：龚程

通讯作者：许梁*

单位：江西理工大学能源与机械工程学院/江西省动力电池与储能材料重点实验室

【研究背景】

金属卤化物钙钛矿因其高光吸收系数、长载流子扩散长度、可调带隙以及溶液法加工等优势，被认为是最有希望实现低成本、高效率的新一代太阳能电池材料。近年来，单结钙钛矿太阳能电池的认证效率已经超过27%，逐步接近传统硅基电池的理论极限。在众多材料体系中，混合阳离子CsxFA1-xPbI3由于在能级匹配、相稳定性和器件效率之间取得了良好平衡，被视为推动钙钛矿光伏产业化的重要候选。

然而，在实际制备过程中，Cs+和FA+在薄膜垂直方向上的分布往往并不均匀：Cs+更容易与[PbI3]-框架形成更强的相互作用，倾向于在靠近电极一侧的“埋底界面”富集，而FA+则更多分布在薄膜表面区域。这样的阳离子梯度会导致局域结构畸变和相分离，诱导非理想晶粒生长和缺陷富集，加速器件性能衰退。与此同时，钙钛矿成膜过程通常伴随快速结晶以及与刚性衬底之间的热膨胀失配，容易在薄膜内部积累拉伸应力，产生残余应变，进一步恶化界面能级对接与器件长期稳定性。因此，如何在一个统一的设计框架下，同时实现阳离子分布均匀化、结晶动力学精细调控与残余应力有效释放，是Cs/FA混阳离子高效稳定钙钛矿太阳能电池走向实际应用必须解决的关键科学问题。

【文章简介】

针对上述难题，江西理工大学许梁教授团队联合提出了一种基于六氟环三磷腈(Hexafluorocyclotriphosphazene，简称HFPN)的“底部锚定”策略。HFPN分子具有高度电负性的多氟结构，可在钙钛矿薄膜靠近底部界面区域，通过多位点氢键和配位作用选择性锚定FA+，重构Cs+/FA+在膜厚方向上的分布，实现A位阳离子真正意义上的“均匀化”。在此基础上，HFPN通过调控前驱体胶体结构和结晶路径，使钙钛矿薄膜在成核和晶体生长阶段更加有序，最终获得结晶度高、晶粒大、缺陷少且几乎无残余应变的高质量薄膜。

得益于阳离子分布、结晶动力学和应变工程三者的协同优化，团队在反式(p–i–n)器件结构下实现了小面积(0.09 cm2)器件26.55%的效率，以及1.0 cm2大面积器件24.67%的效率。在长时光照和高温高湿条件下，器件仍能保持接近初始状态的输出性能，展现出极具竞争力的长期运行稳定性，为高性能反式钙钛矿太阳能电池的产业化提供了新思路。

【本文要点】

要点一：底部锚定分子HFPN的设计理念

本工作引入高度电负性的六氟环三磷腈(HFPN)作为“底部锚定”分子，HFPN通过多氟结构与FA+上–NH–基团形成氢键，并与Pb2+发生配位，精准调控A位阳离子和无机骨架之间的相互作用。

要点二：实现垂直方向阳离子均匀分布与应变释放

配合XRD与应变分析可看到，薄膜内部的残余拉伸应力得到有效释放，整体由拉伸态转变为接近“无应变态”。这种成分与应变的协同调控为高压、高稳定器件提供了结构保障。

要点三：重构结晶动力学，获得高质量大晶粒薄膜

HFPN的引入显著改变了前驱体溶液中的胶体结构，使胶体粒径更大、更集中，有利于可控成核。原位表征表明，体系在HFPN作用下成核时间提前，但晶体生长过程更加平缓，形成“快成核、稳生长”的理想结晶路径。由此可以有效抑制δ相和残余PbI2等不利杂相的生成，显著提升薄膜的相纯度与织构取向。最终获得晶粒尺寸更大、表面更平整致密的高质量CsxFA1-xPbI3薄膜。

要点四：降低缺陷与增强载流子输运

经过HFPN调控后的钙钛矿薄膜结晶度更高、表面粗糙度更低，界面和体相缺陷得到明显抑制。PL与TRPL结果显示，薄膜非辐射复合显著减少，平均载流子寿命明显延长，顶部与底部激发的发光峰几乎重合，印证了A位阳离子的均匀环境。SCLC测试表明陷阱态密度大幅下降，DFT计算也显示关键缺陷的形成能被明显抬升。

要点五：反式MA/Br-free器件的高效率与稳定性表现

在ITO/NiOx/4PACz/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag反式结构中，HFPN策略帮助器件同时获得高开路电压、高短路电流密度和高填充因子。小面积(0.09 cm2)器件实现26%以上的功率转换效率，大面积(1.0 cm2)器件效率同样超过24%。在持续光照MPPT测试和85 ℃、85% RH湿热老化等严苛工况下，器件仍能保持约95%左右的初始效率。该工作实现了反式MA/Br-free钙钛矿电池在高效率与高稳定性之间的兼顾，为未来产业化提供了可行路径。

【文章链接】

Bottom Anchoring Enables Uniform Cations and Strain‐Free Crystallization for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202505163

标签： 太阳能电池