人工微结构和介观物理国家重点实验室曲波副教授、肖立新教授研究团队与合作者，针对高湿度条件下光伏活性黑相钙钛矿易发生相变的科学难题，采用“原位构建晶体覆盖层”策略，成功突破了高湿度环境下稳定制备高性能钙钛矿光伏器件的瓶颈。相关研究成果以“晶体覆盖层用于在潮湿空气条件下制备黑相FAPbI3钙钛矿”（A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI3 perovskite in humid air）为题，于2024年7月12日在线发表于国际期刊《科学》（Science）。

为助力我国早日实现“双碳”目标，发展新型高效钙钛矿太阳能电池成为绿色能源革命的重要方向。目前，高性能钙钛矿太阳能电池的制备与优化策略主要基于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）及配位溶剂二甲基亚砜（DMSO）组成的经典混合溶剂体系，且通常需要在手套箱惰性气氛环境或受控的低湿度等严苛条件下进行，这无疑增加了器件制备的工艺复杂度和成本。然而，在较高湿度下制备器件时，配位溶剂吸收水分子会诱导中间相向无光伏特性的黄相钙钛矿的不利相变，进而阻碍具有光伏活性的黑相FAPbI3钙钛矿的形成，致使器件光伏性能与器件制备的可重复性明显下降。

针对上述科学难题，研究团队采用多种（准）原位光谱表征手段，深入研究了经典溶剂体系在湿度环境下钙钛矿薄膜的结晶动力学过程。研究团队提出了一种原位构建晶体覆盖层策略，通过向两步法前驱体溶液中引入一系列含氯有机分子，组份间的表面能差异及其相互作用改变了碘化铅中间相薄膜的结晶动力学过程，在退火过程中形成了明显的分层结构。薄膜上层逐渐原位形成致密且疏水的晶体覆盖层，下层则是优化钙钛矿结晶过程的关键组份DMSO-PbI2复合物。由此，这一原位形成的晶体覆盖层极大程度减少了制备过程中水分子的侵蚀，并且有效阻挡了下层中DMSO在退火过程中的挥发，同时实现了阻止DMSO吸水和保留DMSO-PbI2以优化结晶的双重效果，解决了经典溶剂体系在高湿度环境下稳定制备高质量钙钛矿光伏活性层的难题（图1）。

图1：原位形成晶体覆盖层的中间相薄膜。（A）TTM-7BCz分子的化学结构式；（B-F）含有TTM-7BCz的中间相薄膜形貌与组份随退火时间的转变过程；（G-J）基于不同中间相薄膜制备的钙钛矿薄膜的吸水性与结晶质量；（K）含有原位形成的晶体覆盖层的中间相薄膜的结构与功能示意图。

图2：基于原位构建晶体覆盖层策略的钙钛矿太阳能电池的光伏性能、可重复性及稳定性。（A）不同类型完整器件的截面扫描电镜图；（B-C）不同器件的J-V扫描曲线及EQE曲线；（D）不同湿度下基于不同中间相薄膜制备钙钛矿光伏器件的性能可重复性；（E-F）不同类型未封装器件的存储稳定性及工作稳定性测试。

研究团队还发现，高湿度环境下器件的光伏性能及器件制备的可重复性大幅提升。在20-60% RH环境湿度下，稳定制备出能量转换效率超过24.5%的光伏器件；当湿度高达80% RH时，也可稳定制备出效率超过23.5%的光伏器件。研究团队还首次报道了高湿度环境下制备的光伏器件在加速老化（ISOS-L-2I标准）条件下的工作稳定性，得益于钙钛矿高质量的膜层和相稳定性，该工作中制备的光伏器件在存储、光照、加热等条件下均展现出优异的工作稳定性（图2）。此外，在不同制备方法、器件面积及结构、钙钛矿组份及衍生物添加剂种类等实验条件下，原位构建晶体覆盖层实验策略具有广泛的普适性。因此，研究团队提出的原位构建晶体覆盖层策略是解决高湿度环境下制备高效、稳定光伏器件的有效途径，这将有力推动钙钛矿光伏器件的实际应用与产业化进程。

北京大学物理学院2019级博士生邹瑜、博士后俞文锦、2020级博士生郭浩清、2019级博士生李齐治为该论文的共同第一作者；本实验室曲波、肖立新、瑞士洛桑联邦理工学院魏明杨博士、Michael Grätzel院士为该论文的共同通讯作者。其他主要合作者包括本实验室陈志坚教授、龚旗煌院士、王树峰副教授、高宇南研究员、北京大学彭莹莹研究员、周欢萍教授、北京理工大学陈棋教授与陈怡华助理教授、清华大学张东东助理研究员，瑞士洛桑联邦理工学院Shaik M. Zakeeruddin教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及人工微结构和介观物理国家重点实验室的支持。

论文原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9646

信息来源：北京大学物理学院网站