2025年10月22日，国科技期刊卓越行动计划领军期刊《科学通报》以《全湿法工艺下的可印刷介观钙钛矿太阳能电池新突破》为题，对华中科技大学武汉光电国家研究中心介观光电子材料与器件团队8月8日《Nature Energy》发表的题为 Enhancing hole-conductor-free, printable mesoscopic perovskite solar cells through post-fabrication treatment via electrophilic reaction 论文进行了科普介绍，全文如下：
钙钛矿太阳能电池指的是以金属卤化物钙钛矿做吸光材料的光伏技术。得益于卤化物钙钛矿可简单湿法加工的特性，近年来，钙钛矿太阳能电池以其惊人的发展速度和巨大的应用潜力吸引了全球科学家的目光。与传统的硅基太阳能电池等相比，钙钛矿材料不仅制造成本更低，还具备可柔性制备、弱光发电能力强等独特优势。其中，一种由三层介孔膜结构组成、被称为“可印刷介观钙钛矿太阳能电池”（简称p-MPSCs）的独特技术尤为引人注目。p-MPSCs由廉价的工业源材料构成，采用全湿法工艺制备，可以通过简单的印刷技术在大气环境中大规模生产，就像印刷报纸一样，完全避免了其他光伏制造所需的高真空、高温等复杂耗能环节，有利于光伏组件的低成本制造。
尽管p-MPSCs在成本和制备工艺上具有明显优势，但其性能与传统结构的薄膜型钙钛矿电池仍然有一定差距。问题的根源恰好也与其独特的多孔结构有关：钙钛矿材料填充在由二氧化钛、氧化锆和碳电极组成的三层多孔骨架中，这种结构虽然有利于大规模制备，却导致钙钛矿晶体在生长过程中产生了大量的晶界等缺陷。这些缺陷处往往堆积着过量的有机组分或欠配位的铅离子，形成能量无序区，不仅可能捕获电荷，还会对电荷的传输造成散射，严重影响了电池的性能表现。这就像是在一条本应畅通的道路上出现了很多坑洼，使得车辆无法快速通行。特别是空穴在向碳电极传输的过程中，需要穿越长达3微米以上的路径，途中要经过多个晶界和界面障碍，其传输受到的影响更为显著。
面对这一挑战，来自华中科技大学和武汉万度光能研究院的研究团队独辟蹊径，开发出一种简单而高效的 “亲电反应后处理” 策略。通过使用一种名为 “六亚甲基二异氰酸酯”（简称HDI）的化合物作为处理剂，对已经制备好的p-MPSCs进行后处理，就像是给电池进行了一次精密的“抛光护理”。HDI分子含有两个高活性的异氰酸酯基团，这些基团就像是一双灵巧的“分子手”，能够精准地找到钙钛矿晶界处过量的有机组分并与之发生反应。通过亲电反应，HDI“修剪”掉晶界处多余的组织，生成稳定的酰胺产物。与此同时，这些产物中的特定基团又能与欠配位的铅离子形成配位键，氢原子则与碘离子形成氢键，这种作用有效地“抛光”了晶界缺陷。
为了证实这一过程，本工作进行了多方位表征。通过Kelvin探针力显微镜显示，经过HDI处理后，钙钛矿薄膜表面的电势分布变得更加均匀，波动从0.3 V显著降低到0.1 V。结果表明后处理技术重构了钙钛矿晶界，减少了能量无序区。导电原子力显微镜进一步表明，处理后的晶界导电性大幅提升，已经与晶体内部区域相当。与此同时，钙钛矿中的空穴迁移能力也提升了四倍，促进了空穴向碳电极的传输。这些结果清楚地表明，HDI处理像是给电池内部进行了一次精细抛光，清除了电荷传输道路上的障碍。另一方面，后处理也有效钝化了钙钛矿中的缺陷，抑制了非辐射复合。
经过这种创新的后处理，p-MPSCs性能得到了显著提升。实验室小面积p-MPSCs的效率从21.1%提高到23.2%，尤其是开路电压从1045 mV提升到1108 mV，填充因子从80%提高到83%。这些提升直接反映了电池内部缺陷的减少和电荷传输的改善。与此同时，本工作制备了由21个子电池串联而成的57.3 cm2的微型模组，经过HDI处理后效率达到19.4%，显示出了该技术良好的放大潜力。稳定性是太阳能电池产业化的关键指标。将封装后的p-MPSCs在55±5℃条件下连续运行900小时后，p-MPSCs仍然保持95%的初始效率，表现出了良好的工作稳定性。
这项研究的意义不仅在于提供了一种提升p-MPSCs性能的有效策略，更重要的是展示了一条通向产业化的可行路径。HDI后处理方法完全兼容现有的印刷工艺，不需要复杂昂贵的设备，为钙钛矿光伏的大规模生产提供了强有力的技术支撑。随着全球能源转型加速，太阳能发电占比逐年提升，开发低成本、高效率、高稳定性的光伏技术对实现可持续发展目标具有重要意义。p-MPSCs以其独特的结构和制备工艺，有望改变人们对光伏产业复杂且耗能的传统认知，推动光伏技术的进一步普及。或许在不久的将来，我们就能看到基于p-MPSCs技术的太阳能电池广泛应用于光伏电站、建筑一体化光伏、车载光伏等领域，为我们的生活带来更多清洁能源。研究人员将继续优化HDI后处理工艺与p-MPSCs的匹配性，进一步提升模组效率与长期稳定性，推动该技术从实验室走向产业化生产，为低成本、高效率光伏技术的普及提供技术支撑。
这项研究得到了国家自然科学基金等项目的支持，相关技术已经申请专利保护。研究人员将继续优化这一方法，推动其向产业化应用迈进，为全球可持续发展贡献中国智慧。
图1. p-MPSCs 结构、HDI 后处理机制及性能表征 (a) p-MPSCs结构示意图。(b) HDI后处理作用机制示意图。(c) 对照组与HDI钙钛矿薄膜表面电位分布图。(d) 表面电位分布统计图。(e) 对照组与HDI钙钛矿薄膜的导电AFM图像。(f) 基于叉指电极的电导率-光生载流子数及相应空穴迁移率。(g) 基于叉指电极的对照组与HDI钙钛矿薄膜的I-V曲线。(h) 对照组与HDI处理p-MPSC的J-V曲线。(i) p-MPSC微型模组的J-V曲线及其照片。(j) HDI处理p-MPSC的工作稳定性。
文章链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1360/CSB-2025-5499
参考消息来源：武汉光电国家研究中心
