Nature Communications:层状钙钛矿模板诱导固相异质外延生长,实现 α 相甲脒铅碘钙钛矿高效稳定应用

来源:先进光伏发布时间:2025-09-26 10:05:01

论文概览

针对甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI₃)室温下易形成非钙钛矿六方相(δ 相)、相转变动力学难调控,且传统外延生长依赖单晶衬底、成本高、适用性窄的核心挑战,美国加州大学洛杉矶分校与韩国成均馆大学等团队联合提出衬底兼容型纳米异质外延(NHE)策略。该研究通过在 FAPbI₃前驱体中引入少量层状钙钛矿(如 PEA₂PbI₄、FPEA₂PbI₄),利用层状钙钛矿与 FAPbI₃界面的应变与熵协同效应,调控固相相转变动力学:一方面,层状钙钛矿在晶界形成异质界面,诱导 δ-FAPbI₃向立方钙钛矿相(α 相)定向外延生长;另一方面,应变能量提升相转变能垒,减缓结晶速率,使钙钛矿晶粒尺寸增大 10 倍,缺陷密度显著降低。最终,基于 NHE 策略的 FAPbI₃钙钛矿太阳电池实现 21.64% 的功率转换效率(PCE),开路电压(Vₒc)达 1.101 V,无封装器件在 85℃老化 2200 小时后 PCE 保留 91.8%;钙钛矿发光二极管(LED)的最大外量子效率(EQE)从 1.11% 提升至 8.28%,寿命延长 180 倍。该研究以 “Solid-phase heteroepitaxial growth of α-phase formamidinium perovskite” 为题发表于《Nature Communications》。

技术亮点

固相异质外延机制创新:利突破传统外延对单晶衬底的依赖,利用层状钙钛矿与 FAPbI₃的界面相互作用,在固相相转变过程中实现 α-FAPbI₃的定向生长。

应变 - 熵协同调控动力学:第一性原理计算表明,层状钙钛矿与 FAPbI₃界面的拉伸应变提升六方相向立方相的转变能垒同时降低 FA⁺阳离子的旋转势垒,增强熵贡献,稳定高温下的立方相。

器件稳定性与普适性突破:NHE 策略可在玻璃、ITO、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、SnO₂等多种衬底上实现高质量薄膜生长,适配太阳电池、LED 等不同器件结构。

深度解析

图1系统地展示了层状钙钛矿(如PEA₂PbI₄和FPEA₂PbI₄)的引入如何显著延缓甲脒基三碘化铅(FAPbI₃)从非钙钛矿相(δ相,六方,黄色)向钙钛矿相(α相,立方,黑色)的固相转化动力学过程。通过对比不同掺杂浓度和类型的层状钙钛矿(Control, 1P, 3P, 3F),图a的照片直观地显示,随着异质界面面积的增加(Control < 1P < 3P < 3F),薄膜颜色变黑(即完成相变)所需的时间从不足1分钟逐渐延长至约8分钟。图b的原位GIWAXS结果进一步定量揭示了这一动力学差异:Control样品的δ(010)衍射峰在加热1分钟后几乎突然消失,同时α(001)峰出现并保持稳定;而含有层状钙钛矿的样品,其δ相峰保留时间更长,并向α相的转化过程更为平缓。图c的等温转化图通过Johnson-Mehl-Avrami方程拟合,定量提取的速率常数k值依次减小(Control > 1P > 3P > 3F),证实层状钙钛矿的掺入显著降低了立方相的成核和/或生长速率。此外,GIWAXS峰形的演变(图b中黄色和黑色箭头所指)表明,异质界面的引入导致了晶格应变的存在,改变了相转化的能垒和路径。

图2结合原位透射电镜(TEM)观察和第一性原理计算(DFT),深入揭示了纳米异质外延(NHE)的生长机制和热力学根源。图a-d的原位TEM图像显示,在加热过程中,立方相晶核(亮斑)同时出现在晶粒内部和边界,但体相晶核很快重新溶解,而位于晶界处的晶核则缓慢地向晶粒内部生长,最终导致相邻晶粒可能发生合并。图e-j的高分辨TEM及FFT分析表明,在相变前,层状钙钛矿的(002)晶面与δ-FAPbI₃的(010)晶面在界面处对齐,并观测到δ-FAPbI₃的晶面间距增大(7.25 Å vs. 体相的7.11 Å),表明存在拉伸应变;相变后,生长的α-FAPbI₃的(111)晶面与层状钙钛矿的(002)晶面取向对齐,但其晶面间距略小(3.61 Å vs. 体相的3.65-3.71 Å),表明存在压缩应变,证实了异质外延生长。图k,l的DFT计算从机理上阐明,应变和熵的协同效应共同调控了相转化能垒:拉伸应变增加了六方相的稳定性(通过降低FA⁺阳离子的旋转势垒,增加其熵贡献),而压缩应变则提高了立方相的热力学稳定性(通过提高立方相向六方相转化的能垒),从而协同导致了相变动力学的延缓。

图3全面展示了纳米异质外延(NHE)策略对FAPbI₃薄膜晶体质量和光电性能的显著改善。图a,b的XRD结果显示,相变前所有薄膜的衍射峰强度无明显差异,表明层状钙钛矿的加入并未显著改变δ相的结晶过程;然而,相变后α-FAPbI₃的(001)和(002)衍射峰强度随NHE的增强(Control < 1P < 3P < 3F)而系统性增强。图c的高分辨XRD进一步显示,(002)峰的半高宽逐渐减小且向高角度移动,表明晶粒尺寸增大并存在压缩应变。图d-g的极图测量直观地证实,NHE诱导了强烈的(001)择优取向(信号强度在圆心处更集中)。图h定量总结了相变前薄膜的应变与相变动力学密切相关,且相变后晶粒尺寸实现了近10倍的增大(从~40-65 nm增大至~400-675 nm)。优异的晶体质量直接转化为了卓越的光电性能:图i的稳态PL强度提升了超过30倍(从0.16×10⁶ 到 5.34×10⁶),且吸收边和峰位不变,表明带隙未变但非辐射复合被有效抑制;图j的时间分辨PL显示,快组分(τ₁, 源于缺陷辅助复合)的比例显著降低(从39.1%降至13.4%),而慢组分(τ₂, 源于双分子辐射复合)的寿命大幅延长(从32.0 ns增至1862.1 ns),证实缺陷密度显著降低,载流子寿命极大延长。

图4展示了基于高质量NHE-FAPbI₃薄膜的概念验证器件的卓越性能和稳定性。图a的截面SEM清晰显示了垂直于基底生长的大尺寸、单晶状钙钛矿晶粒。图b的J-V曲线表明,太阳能电池的效率从Control的15.99%显著提升至NHE的21.64%,这主要归因于开路电压(Voc, 1.040 V → 1.101 V)和填充因子(FF, 0.649 → 0.788)的大幅改善,稳态效率也达到20.87%。图c的EQE曲线及其积分电流与J-V结果吻合。图d,e的LED性能同样惊人,最大辐射亮度从~70.78 W sr⁻¹ m⁻²提升至~187.7 W sr⁻¹ m⁻²,最大外量子效率(EQE)从~1.11%提升至~8.28%。最重要的是,图f,g的操作稳定性测试表明,NHE策略极大地增强了器件的耐用性:太阳能电池在1 sun光照、开路条件下,T80寿命(效率保持初始值80%的时间)从733.4小时延长至2040.4小时;LED器件在恒定电压操作下的T50寿命(辐射亮度保持初始值50%的时间)从5.7分钟大幅延长至1042.4分钟。这种稳定性的提升源于NHE薄膜更高的结晶质量、更低的缺陷密度以及由此导致的离子迁移激活能显著提高(从0.516 eV增至1.435 eV),有效延缓了器件在运行条件下的降解动力学。结论展望本研究通过层状钙钛矿模板诱导的固相异质外延策略,突破了 FAPbI₃相转变动力学难调控与传统外延衬底依赖的瓶颈,实现了高质量 α-FAPbI₃薄膜的低成本、可规模化制备。该策略通过应变 - 熵协同效应调控相转变,显著提升薄膜结晶性与载流子性能,使太阳电池与 LED 器件的效率和稳定性均实现跨越式提升。

文献来源

Lee, J.-W., Tan, S., Han, T.-H., et al. Solid-phase heteroepitaxial growth of α-phase formamidinium perovskite. Nature Communications, 2020, 11: 5514.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19237-3

仅用于学术分享,如有侵权,请联系删除。

责任编辑:wanqin
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
目标效率29%!美印企业合作4GW钙钛矿叠层项目来源:TaiyangNews 发布时间:2026-09-24 09:00:27

印度GREW Solar公司与美国Caelux公司签署为期5年的商业化合作协议,共同推进4GW钙钛矿-硅叠层光伏组件在印度本土的量产,目标于2028年启动。合作核心是将Caelux的钙钛矿发电玻璃技术与GREW Solar的n型TOPCon电池(含G12R大尺寸平台)集成,开发高效率混合叠层组件,目标转换效率超过29%。此举标志着GREW Solar正式进入钙钛矿叠层技术领域,拓展其原有硅基技术布局,并确保产品符合印度ALMM认证要求。目前GREW Solar在拉贾斯坦邦拥有6.5GW组件产能(规划扩至11GW),并正在中央邦建设8GW电池及8GW硅片工厂。对Caelux而言,本协议使其全球合作总容量达19GW,此前已与印度Rayzon Solar和Navitas Solar各签约5GW。(199字)

北京经济技术开发区:推动先进能源产业应用钙钛矿材料等实现太空、地面多维度发展来源:北京市人民政府 发布时间:2026-09-23 16:17:21

本文介绍了北京经济技术开发区发布的《关于加快新材料产业创新发展的若干措施》,旨在系统性推动新材料产业高质量发展。文件明确聚焦先进基础材料、关键战略材料和前沿创新材料三大方向,尤其突出钙钛矿等新型能源材料在先进能源领域的应用,支持其向太空能源、地面储能等多场景拓展。措施围绕“创新驱动—成果转化—双向赋能—要素保障”逻辑链,提出核心技术攻关、产学研协同、“AI+新材料”融合、中试平台建设、京津冀协同发展等12项具体举措,涵盖资金支持、平台搭建、场景开放、人才引育和金融赋能等内容。政策有效期至2028年底,适用范围覆盖亦庄新城全域,强调国产替代、技术转化与产业生态构建。(199字)

全省唯一!极电光能牵头项目入选江苏省创新联合体拟建名单来源:极电光能 发布时间:2026-09-22 10:59:09

江苏省科技厅公示2026年度省级创新联合体拟建名单,全省共18家,其中由极电光能牵头的“江苏省大面积高效柔性钙钛矿太阳能电池与装备技术创新联合体”成功入选,系光伏领域唯一获批单位。该联合体以企业为“出题者”,联合高校院所及产业链上下游,聚焦柔性钙钛矿在材料、器件、工艺和装备等关键环节的协同攻关,旨在贯通“产学研用”链条。相较于传统光伏,柔性钙钛矿具备轻量化、可弯曲、形态适配性强等优势,应用场景正从电力生产拓展至建筑、交通、低空经济及便携能源等领域。依托无锡新能源产业与科创资源,联合体将加速技术转化与多元应用落地,助力江苏培育新能源增长点,支撑新质生产力发展。(198字)

华晟新能源亮相2026世界制造业大会 展示高效异质结前沿技术成果来源:华晟新能源 Huasun 发布时间:2026-09-22 09:44:57

华晟新能源亮相2026世界制造业大会,展出Himalaya PLUS高效异质结组件(760W/24.5%)、异质结-钙钛矿叠层电池、玻璃基TGV及P-HJT柔性电池等前沿成果,展现其在高效光伏与下一代技术产业化上的领先布局。

钙钛矿视觉传感器项目落地宁波产业园!来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-09-22 09:29:29

2026中国浙江·宁波人才科技周于9月20日在宁波开幕,甬港创科中心首批10个人才科创项目集中签约入驻。该中心由宁波市委人才办、宁兴集团与高新区共建,立足甬港两地优势,打造“宁波产业园”与“香港研发园”双平台,推动“香港研发、宁波智造”协同模式。其中5个项目落地宁波产业园,包括丁宇宬团队主导的高性能钙钛矿视觉传感器项目,拟建设研发中心与中试基地;另有超材料制冷化纤、三维风场测绘卫星星座、多传感食品智控及高灵敏生物磁检测装备项目同步入驻。另5个项目入驻香港研发园,涵盖舜宇、汉科等龙头企业及人形机器人、氮化镓芯片等前沿方向。香港特区政府将提供全周期创业支持,助力大湾区与长三角科技资源联动。(198字)

从高温高湿到干热沙尘,极电“创势”钙钛矿组件完成“双极境”实证大考来源:极电光能 发布时间:2026-09-21 09:55:43

本文报道了极电光能“创势”钙钛矿光伏组件在CTC国检集团海南(高温高湿、强辐照、高盐雾、多台风)和吐鲁番(干热、强风沙、极端高温达49.23℃)两大国家级户外实证基地完成的“双极境”实证测试结果。实证周期覆盖2025年12月至2026年8月,涵盖冬夏两季及多种复杂气象。数据显示,“创势”组件在两地均保持发电性能稳定,未出现明显衰减,平均系统效率(PR值)超90%;其弱光响应好、温度系数优异、防积灰与防热斑设计有效,展现出突出的湿热稳定性与干热沙尘环境适应性。该实证为钙钛矿光伏技术产业化提供了关键可靠性验证。

钙钛矿光伏领域首个国家标准发布来源:市场监管总局 发布时间:2026-09-21 08:52:42

我国首个钙钛矿光伏领域国家标准《GB/T 6495.12—2026》正式发布,将于2027年实施。该标准聚焦钙钛矿光伏电池及组件的电流-电压(I-V)特性测量,旨在解决其性能易受光照和电压影响、测试结果不稳定、面积定义不统一等关键问题。针对钙钛矿器件动态响应特性,标准系统规定了测试设备要求、测试前稳定化处理流程,并区分实验室研发与量产需求,提出快速测量法及最大功率点追踪、十点准稳态拟合(仲裁法)、渐进法等准稳态测试方法。同时,统一总面积与光阑面积定义,规范效率计算方式,确保不同机构测试结果具备可比性与可复现性。该标准填补了国内钙钛矿光伏标准化测试空白,为检测认证、产品研发、产线质控和国际贸易提供统一技术依据,支撑产业化发展与国际标准协同推进。(199字)

推进多场景试点应用!《江苏省推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》发布来源:江苏省发改委 发布时间:2026-09-20 09:09:30

江苏省于2026年9月14日印发《推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》,明确以多场景验证为路径,加快钙钛矿光伏技术工程化落地。方案提出到2030年,建成一批技术先进、效益显著的试点项目,形成全国领先的创新与应用试点体系。重点布局五大应用场景:“钙钛矿光伏+交通设施”,推动铁路、公路、港口及车载光伏应用;“+建筑”,推广光伏瓦、幕墙等BIPV产品;“+矿区”,结合生态修复实现能源开发与环境治理协同;“+海上风光同场”,开展高盐雾、高湿热环境实证;以及“+其他”,拓展至零碳园区、农(渔)光互补、可穿戴设备和航空航天等领域。配套强化项目试点、政策激励、市场消纳与标准认证四大支撑举措,全面助力钙钛矿光伏产业化与绿色低碳发展。(198字)

全球钙钛矿竞速,晶灵以唯一材料合作方进入澳洲国家级项目!来源:投稿 发布时间:2026-09-18 14:45:50

钙钛矿-晶硅叠层电池产业化加速,晶灵科技作为唯一中国材料方参与澳大利亚630万澳元国际攻关项目。其高纯度微晶材料已量产供货,多项技术创世界纪录,并布局太空光伏、BIPV等前沿场景,推动钙钛矿材料自主可控与全球验证。

国内首次柔性钙钛矿光伏组件级在轨验证启动来源:炎和科技 发布时间:2026-09-18 08:41:14

9月17日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射快舟十一号遥三火箭,将天仪51星与52星送入预定轨道。其中,炎和科技自主研发的柔性钙钛矿光伏组件搭载天仪52星进入太空,正式启动国内首次组件级柔性钙钛矿光伏在轨工程化验证。该试验聚焦空间极端环境下的全工况考核,包括高真空、±100℃温度循环、高能粒子辐照及原子氧侵蚀等多因素耦合条件,重点评估组件在热循环疲劳、辐照退化和机械震动下的电学输出特性、连接可靠性与力学稳定性。所有核心性能参数通过星上遥测系统实时回传。区别于以往小尺寸器件的原理性验证,本次任务首次面向工程应用,覆盖电学、连接、力学三大维度,旨在填补国内商业航天领域柔性钙钛矿光伏在轨工程数据空白,标志该技术由实验室研究正式迈入工程化应用验证阶段。(198字)

“链”上发力!极电光能牵头大面积柔性钙钛矿生态型创新联合体成功获批来源:极电光能 发布时间:2026-09-17 09:49:03

近日,由极电光能牵头组建的“无锡市大面积高效柔性钙钛矿太阳能电池与装备技术创新联合体”成功入选2026年度无锡市生态型创新联合体拟建设名单。该联合体聚焦柔性钙钛矿光伏技术产业化瓶颈,如大面积制备、效率与稳定性协同提升及装备适配等共性难题,联合上下游企业、重点高校共同开展系统攻关。作为无锡市“链主”企业,极电光能依托“极创+”量产技术体系,已形成覆盖设计、设备、工艺到运维的全价值链整线解决方案,支撑技术快速向产线转化。此次获批标志着其角色从承担具体任务的技术攻关者,升级为统筹资源、组织协同的产业链创新引领者,旨在提升无锡钙钛矿产业创新集群整体竞争力。(198字)