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
日本理光:2030年前建成百兆瓦级喷墨打印钙钛矿电池产线来源:TaiyangNews 发布时间:2026-11-05 09:09:16

日本理光公司宣布,计划于2030年前在宫城县建成百兆瓦级喷墨打印钙钛矿太阳能电池量产线,远期目标扩展至吉瓦级规模。其核心技术是利用自主开发的精密喷墨打印工艺,直接按图形沉积电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层及对电极等全部功能层,从而替代传统旋涂/模头涂布加激光刻蚀、以及真空沉积等工序。该方案依托理光在喷墨打印头、供墨系统和高速卷材印刷领域的技术积累,旨在提升材料利用率、简化制程、降低制造成本,并支持连续化大规模生产。该项目已获日本经济产业省GX供应链支援计划及绿色创新基金支持,由理光联合大和房屋工业与NTT Anode Energy共同推进,目标是到2030年实现超300MW年产能,并将发电成本降至14日元/kWh。

继 Oxford PV 后,First Solar 再获钙钛矿专利授权来源:TaiyangNews 发布时间:2026-11-04 09:47:59

美国光伏巨头First Solar近日与CubicPV签署非独占专利授权协议,获得其在美国的钙钛矿太阳能技术专利使用权,覆盖产品开发、销售与分销,旨在加速钙钛矿叠层组件在地面电站、工商业及住宅市场的商业化落地。这是First Solar年内第二项钙钛矿专利合作,此前已于2026年2月与Oxford PV达成类似协议。CubicPV采用专有钙钛矿化学体系,主攻硅基钙钛矿叠层电池技术。First Solar已累计投入超20亿美元研发薄膜技术,目前在俄亥俄州佩里兹堡建有小尺寸钙钛矿组件开发线,并正建设一条与Series 6产线同规模的中试线,预计2027年上半年投产。公司强调该授权有助于保障技术实施自由,支撑其向下一代光伏技术转型。(198字)

INA Solar携手Caelux,在印度开发3GW TOPCon-钙钛矿叠层组件来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-30 09:49:08

印度光伏企业INA Solar与美国Caelux公司达成战略合作,计划五年内(至2028年)在印度建成3GW商业化TOPCon-钙钛矿叠层光伏组件产能,目标组件转换效率达29%。合作聚焦技术整合:INA Solar提供自产TOPCon电池,Caelux则供应其专有的钙钛矿“发电玻璃”层,二者叠加形成高效混合组件,旨在提升发电量、能量密度并降低平准化度电成本(LCOE)。项目涵盖技术验证、制造筹备及满足印度ALMM等监管审批要求。作为一体化制造布局的一部分,INA Solar正同步建设4.5GW TOPCon电池厂和1.8万吨铝边框厂,后者可支撑4.5–5.0GW组件自用需求。目前Caelux已与多家全球厂商签约,累计叠层项目协议超25GW。

迈为股份终止19.67亿元募资来源:迈为股份公告 发布时间:2026-10-30 09:37:06

迈为股份于10月28日公告终止向不特定对象发行可转换公司债券事项,原计划募资总额不超过19.67亿元。该融资方案于2025年5月31日首次披露,拟将募集资金扣除发行费用后全部投入“钙钛矿叠层太阳能电池装备产业化项目”。公司董事会于10月27日全票审议通过终止议案,理由是综合评估了自身经营现状、长期发展战略及当前光伏行业市场环境等多重因素。独立董事认为,终止本次发行不会对公司日常经营和持续发展造成重大不利影响,亦不损害上市公司及中小股东利益。该终止事项尚需提交11月13日召开的临时股东大会审议批准。

通威受邀出席2026钙钛矿与太空光伏技术、设备和材料论坛,分享全尺寸钙钛矿-晶硅叠层电池规模化制备与产业化进展来源:通威股份 发布时间:2026-10-30 09:18:45

通威张一峰博士在常州钙钛矿论坛披露叠层电池产业化突破:210半片电池效率达33.09%,组件功率807.9W;5MW全自动试验线贯通,材料成本降60%;独创气相+溶液两步法实现膜厚不均匀性<1%;2027年将建AI高通量实验平台,加速千兆瓦级量产落地。

TNO携手东洋制罐推进钙钛矿产业化,计划在荷兰建厂来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-29 08:55:45

荷兰研究机构TNO、其衍生公司Perovion Technologies与日本东洋制罐集团控股公司达成合作,共同推进柔性钙钛矿太阳能电池的产业化。三方签署意向声明,制定涵盖技术开发、材料研发、卷对卷(R2R)制造工艺及组件集成的联合路线图。Perovion将依托TNO的技术基础,主导商业化转化,并计划于2030年在荷兰建设首座钙钛矿光伏薄膜R2R量产工厂;东洋制罐则提供MiraNeo平台下的先进封装材料与组件集成能力;TNO持续负责技术研发与规模化支持。该技术以轻质、柔性、可弯曲为特点,适用于传统晶硅组件难以部署的场景,如轻型屋顶、建筑立面、车辆及历史建筑等。合作旨在突破钙钛矿电池在长期稳定性与环境耐久性方面的产业化瓶颈,加速其迈向大规模生产和全球市场应用。(198字)

天合光能荣获2026年度中国可再生能源学会科学技术奖一等奖来源:天合光能 发布时间:2026-10-28 09:20:54

天合光能凭TOPCon钙钛矿/晶硅叠层技术获2026年中国可再生能源科技一等奖;其3.1m²组件以907W功率、29.2%效率刷新世界纪录,实现全球首单高端户用出海;专利达758项,加速推进光储氢及AIDC智慧能源战略升级。

理光将在日本宫城县建钙钛矿太阳能电池生产基地,2030年形成数百兆瓦年产能来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-28 09:08:27

理光公司宣布将于日本宫城县的理光工业东北基地建设钙钛矿太阳能电池生产基地,该项目已入选日本GX(绿色转型)供应链发展支持项目。基地将采用理光自主研发的喷墨印刷技术制造钙钛矿太阳能电池,通过喷墨涂布方式完成各功能层沉积,避免传统工艺中的真空镀膜和激光刻蚀等复杂环节,从而简化生产流程、提高材料利用率并降低量产成本。根据规划,该基地目标在2030年前实现数百兆瓦的年产能,并在此基础上持续扩产,逐步迈向吉瓦级规模。此举标志着理光正式布局下一代光伏技术产业化,聚焦高效、低成本的钙钛矿电池本地化制造。

上智大学等开发出无铅钙钛矿太阳能电池新技术,同时提高耐久性与转换效率来源:日本经济新闻 发布时间:2026-10-27 10:52:11

上智大学等研究团队开发出一种新型无铅钙钛矿太阳能电池技术,以锡替代有毒的铅作为核心元素,旨在兼顾环境安全性与器件性能。针对锡易氧化导致结构退化、进而影响效率与稳定性的关键难题,团队设计了 Ruddlesden–Popper 型层状结构:由锡-碘无机导电层与有机分子层交替堆叠构成,并引入2-氨基苯并噻唑作为分子钝化添加剂。该结构既通过有机层阻隔水氧提升耐久性,又借助添加剂抑制锡氧化、降低界面电阻,使电池在100天后仍保持约85%的初始效率。尽管当前转换效率尚低于含铅同类器件,但该成果为安全、稳定、可实用化的钙钛矿光伏技术提供了新路径,后续工作将聚焦于效率提升与大面积制备。(199字)

3GW钙钛矿组件产业化项目落户浙江来源:潮起滨海 发布时间:2026-10-26 08:57:54

10月22日,浙江绍兴越城区与滨海新区举行重大招商对接活动,正式签约中显光电智能制造基地和协鑫光电钙钛矿光伏组件产业化两个项目,总投资超百亿元。其中,协鑫光电项目规划建设3GW钙钛矿光伏组件量产线,旨在打造全球领先的规模化钙钛矿光伏生产基地,抢占下一代光伏技术制高点;中显光电项目则聚焦AI算力服务器主板PCBA制造,助力杭绍算力硬件产业协同发展。两项目紧扣区域集成电路、新能源(新材料)、高端装备等主导产业方向,是越城区与滨海新区实施先进制造业强区战略、培育新质生产力的重要举措。当地政府表示将持续优化营商环境,全力保障项目落地建设,推动上下游产业集聚与区域高质量发展。(198字)

晋能控股光伏制造有限公司与纤纳光电开展钙钛矿-晶硅叠层技术交流来源:晋能清洁能源科技股份公司 发布时间:2026-10-22 09:16:36

晋能控股光伏制造与纤纳光电就钙钛矿-晶硅叠层电池技术深度交流,聚焦大面积、高稳定关键技术攻关及研发线建设。双方将共建“研发-实证-转化”创新联合体,加速产业化落地,助力山西能源转型与光伏新质生产力发展。