打破校史!深圳职业技术大学,首篇Science正刊!
- 2026-05-27 20:47:16
打破校史!深圳职业技术大学,首篇Science正刊!给钙钛矿“上锁”后，效率达27.6%，刷新纪录！ 钙钛矿太阳能电池被认为是下一代光伏技术中最有希望的方向之一。其中，甲脒铅碘（FAPbI3）钙钛矿因带隙理想、光吸收能力强、理论效率高而备受关注。然而，它始终面临一个致命难题：在高温、潮湿和持续光照下，材料内部结构会从高效的“黑色α相”逐渐转变为失活的“黄色δ相”，导致器件性能迅速衰减。这种相变问题，长期限制了钙钛矿太阳能电池真正走向产业化。 今日，华中科技大学陈炜教授和刘宗豪研究员联合成均馆大学Nam-Gyu Park教授、Sanwan Liu俄罗斯科学院Pavel A. Troshin教授和深圳职业技术大学李竞白副教授提出一种“熵调控分子锁”策略。他们设计出一种名为3-PMPCl的小分子，通过像“锁扣”一样动态锚定钙钛矿晶格，在增强有机阳离子旋转自由度的同时，抑制无机八面体结构无序扩张，从根本上延缓材料相变。最终，团队实现了27.6%的认证光电转换效率，并让器件在85°C连续光照运行超过1000小时后，依然保持93%的初始效率，刷新了高效率与高稳定性兼顾的新纪录。相关成果以“An entropy-regulating molecular lock stabilizes formamidinium lead halide perovskite”为题发表在《Science》上，Tianyin Miao、Sanwan Liu、Xia Lei为共同第一作者。 值得关注的是，2025年，深圳职业技术大学李竞白副教授以通讯作者身份，连发3篇Nature大子刊！时隔8个月，再发Science。 相关报道： 仅10天！职业技术大学，以通讯作者单位，连发3篇Nature大子刊！ 
团队首先聚焦于FAPbI3内部最核心的问题：晶格结构太“软”。在传统材料中，FA+有机阳离子的旋转虽然有助于稳定晶体，但与此同时，[PbI6]4−八面体框架又会因为热振动而发生畸变和膨胀，最终推动α相向δ相转化。为了破解这一矛盾，研究人员提出，能否设计一种既能“束缚”无机框架，又不会限制有机阳离子运动的分子？于是，他们构建了四种不同的小分子结构进行比较，包括BPCl、2-PMPCl、3-PMPCl和4-PMPCl，并通过理论模拟研究其对晶格稳定性的影响（图1a）。计算结果显示，3-PMPCl表现最为突出。它能够通过双位点与Pb原子形成更强的配位作用，大幅提升α相向δ相转变所需克服的能垒（图1b）。简单来说，材料想“塌掉”会变得更加困难。分子动力学模拟进一步发现，在高温条件下，3-PMPCl不仅能够均匀覆盖在钙钛矿表面，还能长期稳定吸附，即使材料已经接近相变临界点，它依然牢牢“锁”在晶格之中（图1d-1f）。更关键的是，研究团队观察到，加入3-PMPCl后，δ相出现的时间被大幅推迟。纯FAPbI3在约48 ps时便开始相变，而3-PMPCl修饰后的材料直到277 ps后才出现δ相迹象，并且在更长时间内依旧保持结构完整（图1g）。这一结果说明，所谓“分子锁”并非简单表面修饰，而是真正从动力学层面改变了材料稳定性。 
图1：研究团队设计四种不同分子添加剂，并通过理论模拟证明3-PMPCl能够显著提高FAPbI3从α相向δ相转变的能垒，从动力学上延缓相变。 随后，研究团队进一步分析了这种“锁”究竟如何发挥作用。实验显示，3-PMPCl并不是只停留在材料表面，而是均匀分布在整个钙钛矿薄膜中。更重要的是，在长时间老化测试后，3-PMPCl修饰的样品几乎没有检测到δ相生成，无论是在室温氮气环境下存放860小时，还是在85°C热老化200小时后，都依旧维持稳定（图2）。为了理解其深层机制，研究人员采用核磁共振、同步辐射以及原位GIWAXS等先进手段展开分析。他们发现，3-PMPCl能够与FA+形成稳定氢键，同时与Pb2+发生强配位作用，在晶格内部形成一种“柔性锁定”状态。这样的结构很特别：一方面，它允许FA+继续自由旋转，提升系统有利的“旋转熵”；另一方面，又能抑制Pb-I骨架发生无序扩张，从而降低不利熵增加（图2c、2d）。 进一步的EXAFS结果显示，在长期老化后，普通钙钛矿中的Pb-I键明显变长，意味着晶格逐渐松散；而3-PMPCl修饰样品中的Pb-I键几乎没有变化（图2e）。与此同时，其Debye-Waller因子也保持稳定，说明晶格畸变被有效压制（图2f）。换句话说，这种“分子锁”像给钙钛矿内部搭建了一套缓冲系统，使其在高温高湿环境下依旧维持稳定结构。原位GIWAXS实验则更直观地展示了这一效果。在85°C、85%湿度条件下，普通样品的衍射峰逐渐偏移并变宽，代表晶格开始膨胀、畸变并朝δ相转变（图2g、2i）。相比之下，3-PMPCl修饰后的样品衍射峰几乎保持不变，即便经过长时间测试，也未检测到明显δ相形成（图2h、2j）。这意味着，研究团队真正实现了对[PbI6]4−八面体框架的“锁定”。 
图2：多种先进表征技术证明，3-PMPCl能够构建“熵有利”晶格结构，在保持FA+自由旋转的同时抑制Pb-I骨架畸变，实现长期结构稳定 稳定性提升之后，材料本身的光电性能也随之增强。研究人员进一步发现，3-PMPCl不仅能够稳定晶格，还能有效钝化缺陷。理论计算表明，它对碘空位等关键缺陷具有最强的修复能力（图3a），从而减少载流子在缺陷处复合损失。实验结果也验证了这一点。加入3-PMPCl后，钙钛矿薄膜的稳态荧光明显增强（图3b），时间分辨荧光寿命从2.71微秒提升至5.99微秒（图3c），说明载流子寿命显著延长。同时，PL mapping结果显示，整个薄膜的荧光分布更加均匀（图3d、3e），意味着缺陷密度被整体降低，而不是局部改善。研究团队还发现，3-PMPCl能够优化钙钛矿与电子传输层PCBM之间的界面能级匹配，使电子提取更加顺畅（图3f）。在85°C和高湿环境连续照射120分钟后，普通样品荧光迅速衰减，而3-PMPCl修饰样品依旧维持高亮度发光（图3g、3h）。显然，这种“分子锁”不仅稳定了晶格，也稳定了整个器件界面。 
图3：3-PMPCl不仅提升材料稳定性，还能有效钝化缺陷、增强载流子寿命与界面电荷传输，从而提高整体光电性能。 最终，研究人员将该策略应用于倒置结构太阳能电池中（图4）。在Bi电极结构下，器件实现26.8%的光电转换效率；而采用传统BCP/Ag结构后，效率进一步提升至27.6%，并获得认证（图4a、4b）。这一成绩刷新了FAPbI3基钙钛矿太阳能电池的世界纪录。不仅如此，团队还实现了极高的Voc×FF指标，达到Shockley-Queisser理论极限的91.8%（图4f），说明器件中的非辐射复合已经被压缩到极低水平。这意味着，钙钛矿太阳能电池正在逼近理论效率上限。更令人关注的是其稳定性表现。在IEC标准湿热测试条件下，封装后的3-PMPCl器件在85°C、85%湿度下运行1150小时后，依旧保持95.7%的初始效率。而在连续1 Sun光照、85°C环境中最大功率点跟踪测试超过1011小时后，器件仍保留93%的初始效率（图4g）。相比之下，对照组器件性能则明显衰减。 
图4：基于3-PMPCl构建的钙钛矿太阳能电池实现27.6%认证效率，并在高温连续光照下保持超过1000小时稳定运行 小结 这项研究最大的意义，在于它不再依赖传统“掺杂”方式去强行稳定钙钛矿，而是首次从“熵调控”角度重新设计晶格稳定机制。研究团队通过一种柔性动态分子锁，同时实现了“增强有利熵”和“抑制有害熵”的双重目标，从根本上提升了FAPbI3的热力学与动力学稳定性。对于整个钙钛矿光伏领域而言，这不仅意味着更高效率，更重要的是向商业化迈进了一大步。未来，如果这种“熵调控分子锁”策略能够进一步推广到大面积组件和长期户外应用中，钙钛矿太阳能电池或许真的将迎来产业化爆发时刻。
李竞白，深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院副教授。从事机器学习加速非绝热动力学模拟的方法开发及其在复杂体系中的应用研究。以第一或通讯作者在Nature、Nat. Energy、Nat. Mater.、Nat. Synthesis、Nat. Commun.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.、Chem. Sci. 等国际顶尖学术期刊发表研究论文20余篇，被引超过1600次。
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