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文 章 信 息
通过面选择性分子工程稳定钙钛矿太阳能电池
共同作者：潘易，陈忻，张泽宇，欧泽平
通讯作者：杜鹃*，高兴宇*，王睿*，Caterina Ducati*， 孙宽*
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研 究 背 景
钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率和低成本的优势，但其稳定性仍然是制约其商业化应用的关键问题。钙钛矿薄膜由无数微小的晶体构成，不同的“晶面”具有显著的稳定性差异。其中，(111)晶面结构稳定，由于（100）晶面易受环境影响因铅‑碘键长拉伸和羟基化作用更易诱发向非光活性的δ‑FAPbI3相转变，从而成为材料降解的薄弱环节。传统制备方法难以精准控制晶面取向，导致薄膜中不稳定晶面大量共存，成为提升稳定性的重大挑战。
尽管已有多种策略可促进（111）晶面表达以提升稳定性，但由于溶液法制备钙钛矿薄膜的快速结晶动力学，多晶薄膜通常呈现随机的晶体学取向。这种随机性导致晶体结构的空间异质性，进而影响电荷传输并造成缺陷密度的各向异性分布。此外，由于晶面生长速率的趋势为（100）>（111）>（110），晶粒内部容易形成随机取向。即便在（111）晶面为主导的钙钛矿薄膜中，（100）晶面仍常存在。这些（100）晶面的持续存在，为进一步提升钙钛矿材料的稳定性带来了显著挑战。
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文 章 简 介
近日，重庆大学能动学院孙宽、廖强教授/国科大杭高院杜鹃教授/剑桥大学Caterina Ducati教授/西湖大学王睿教授/上海高研院高兴宇教授等联合晶澳太阳能和英属哥伦比亚大学在CellPress细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Stabilizing Perovskite Solar Cells via Facet-selective Molecular Engineering”的文章，系统研究了甲脒铅碘（α‑FAPbI3）钙钛矿薄膜中晶面异质性对其稳定性的影响机理。文章揭示了不同晶面（如（100）与（111））在原子配位环境、相变能垒及稳定性方面的显著差异。本研究通过理论计算筛选出具有三甲酰基官能团的添加剂分子三(4‑甲酰苯基)胺（TFPA）。该分子凭借在（100）晶面上更高的结合能，可选择性吸附并抑制该晶面的生长，同时通过提高α‑FAPbI3相到δ‑FAPbI=相的转变能垒增强本征相稳定性。实验结果表明，TFPA调控的钙钛矿薄膜实现了（111）晶面的生长。由此制备的钙钛矿太阳能电池获得了26.4%的光电转换效率，并在65°C、1个太阳光照射下连续运行1100小时后仍保持96.5%的初始效率。该工作从晶面工程的角度出发，为同时实现钙钛矿太阳能电池的高效率与高稳定性提供了创新的设计与制备策略。
图1. 钙钛矿降解后的截面的相图
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本 文 要 点
要点一：TFPA分子与钙钛矿之间相互作用的关键机制
作者揭示了三(4-甲酰苯基)胺（TFPA）分子与钙钛矿之间相互作用的关键机制。并结合理论计算（DFT）和X射线光电子能谱等系统研究，发现TFPA分子中富含电子的甲酰基与钙钛矿表面低配位Pb2+离子具有最强的配位相互作用。理论计算表明，相较于对比分子TIPA和TAPA，TFPA在钙钛矿（100）晶面上的吸附能最低（-1.72eV），且Pb–O配位键长最短，表明其对该晶面具有最强的优先吸附和选择性钝化能力。实验表征进一步证实，TFPA的引入有效钝化了钙钛矿表面，显著抑制了金属铅（Pb0）缺陷的形成，并通过电荷重分布促进了界面电荷分离。值得注意的是，TFPA分子能选择性地优先吸附于稳定性较差的（100）晶面，在抑制该晶面生长的同时，将钙钛矿从α‑FAPbI3相向δ‑FAPbI3相转变的能垒提高了1.3eV，从而从分子层面实现了对钙钛矿晶体生长的调控和本征稳定性的显著增强。
要点二：调控结晶动力学
作者通过原位掠入射广角X射线散射（in-situ GIWAXS）实时监测了钙钛矿薄膜的形成过程。研究发现，TFPA分子可有效调控钙钛矿结晶行为：GIWAXS图谱分析，TFPA的引入显著延长了钙钛矿中间相的持续时间，有效延缓了结晶动力学，进而形成了更大、更均匀的晶粒。同时，GIWAXS分析表明，TFPA促使钙钛矿晶体的（111）晶面沿面外方向形成择优取向，而对照样品的（111）衍射环则呈现各向同性。这种结构取向的改变得到扫描电子显微镜与扫描透射电子显微镜结果的进一步验证：TFPA掺杂的钙钛矿薄膜晶粒尺寸增大、表面更为平整。此外，能量色散X射线谱元素分布分析表明，TFPA分子在钙钛矿薄膜中主要分布于晶界处。结合理论计算与结构表征，作者揭示了TFPA分子在（100）晶面晶界处的优先吸附及其对结晶动力学与晶体取向的调控作用。
要点三：优化载流子的传输
作者通过多种光谱与电学表征系统探究了TFPA对钙钛矿光电性能的优化机制。时间分辨太赫兹时域光谱研究表明，TFPA掺杂薄膜的瞬态光电导与载流子迁移率较对照组提升约1.5倍，这主要得益于结晶质量改善与缺陷钝化；同时，太赫兹发射光谱证实TFPA显著增强了薄膜的垂直方向瞬态光电流，表明其促进了面外电荷输运，与(111)晶面择优取向引导的垂直传输增强一致。对其纵向光电流的太赫兹频谱分析还揭示，TFPA掺杂样品除源于Pb-I键拉伸声子耦合的极化子模式（~1 THz）外，还额外出现位于~0.6 THz的新模式，其频率与FA⁺阳离子转动声子模式匹配。新模式仅在TFPA掺杂样品的高光子能量激发下（>2.13 eV）被观测到，既验证了TFPA诱导的(111)晶面择优取向与长程有序结构能够通过相干集体行为激活该模式，也揭示了高能热载流子与晶格相干耦合及其对电荷传输的增强作用，是实现器件效率提升的关键因素之一。微秒瞬态吸收测试显示，TFPA掺杂薄膜的Shockley-Read-Hall复合寿命从145ns延长至193ns，表明缺陷辅助的非辐射复合受到抑制。稳态与时间分辨光致发光光谱进一步证实，TFPA掺杂显著延长了载流子平均寿命（从612.6ns提升至1029.3ns），并有效降低了非辐射复合中心密度。综上所述，TFPA的引入通过优化晶体取向、提升结晶质量、降低缺陷密度，全面增强了钙钛矿薄膜的光电性能与载流子输运特性。
要点四：面选择性分子工程开辟新范式
本研究提出的面选择性分子工程稳定钙钛矿太阳能电池策略，不仅为钙钛矿太阳能电池提供了高效的解决方案，更为稳定钙钛矿太阳能电池提供了全新思路。揭示了钙钛矿薄膜潜在的降解机制，有望为钙钛矿太阳能电池的商业化提供重要的方向。
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文 章 链 接
Stabilizing Perovskite Solar Cells via Facet-selective Molecular Engineering
https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102315
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第 一 作 者 简 介
潘易，重庆大学能源与动力工程学院2022级博士研究生，研究方向为钙钛矿太阳能电池，师从孙宽教授。
陈忻，剑桥大学材料科学与冶金系博士研究生，师从剑桥电子显微中心主任Caterina Ducati教授。主要研究方向为扫描透射电镜（STEM）技术对钙钛矿器件的表征，可用于关联表征光电器件的微观物理性质与宏观器件性能。
张泽宇，国科大杭高院研究员，杭州市青年拔尖人才。长期致力于太赫兹光谱学及其在光电材料与器件中的应用研究，尤其在钙钛矿太赫兹光谱与极化子动力学领域取得多项原创性成果。相关成果以第一作者/通讯作者在Joule、Nature Communications、ACS Energy Letters 等期刊发表论文40余篇。
欧泽平，重庆大学能源与动力工程学院博士研究生，在孙宽教授和郑玉杰副教授的指导下从事 “Ab initio + AI”辅助材料优化的相关研究。
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通 讯 作 者 简 介
杜鹃教授简介：国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院副院长，研究员，博导，国家级人才计划入选者。长期从事功能材料光电机理及相应微纳器件发展的工作，主要运用超快激光光谱、太赫兹时域光谱和显微镜成像技术等研究功能材料内部物理化学前沿问题，结合材料制备、器件测试，实现对光电器件功能化的理解和应用，致力于相应的器件发展。
Caterina Ducati教授简介：英国剑桥大学材料科学与冶金系纳米材料学教授，并担任剑桥大学电子显微中心主任、研究生教育主任。其主要研究方向为纳米材料的电子显微学表征与机理解析，重点关注纳米材料结构与其电子/光学性质之间的关联，并面向光伏、光催化与光电子器件等应用场景。团队依托Wolfson Electron Microscopy Suite先进电镜分析平台，在从颗粒到器件的多尺度上研究纳米材料、纳米复合材料及其器件，尤其聚焦单颗粒、界面与结区在纳米尺度上如何支撑关键化学与物理过程。代表性工作涵盖钙钛矿太阳能电池的原位热致降解观测（Nature Energy,2016）、光照下大面积钙钛矿器件中金与碘的扩散行为（Nanoscale, 2017）以及电化学体系中硅电极固态电解质界面（SEI）生长与容量衰减机制研究（J. Am. Chem. Soc., 2016）等，H-Index76，总引用超过28000次。
更多个人与课题组信息，请访问 https://www.msm.cam.ac.uk/people/ducati
王睿教授简介：西湖大学工学院长聘副教授，独立PI，长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者或通讯作者身份在Nature (3篇)，Science (3篇)，Nature Energy, Nature Photonics, Nature Chemistry，Joule等旗舰杂志发表论文60余篇。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，麻省理工科技评论全球科技创新35人、阿里巴巴达摩院青橙奖以及ESI高被引学者（Cross-Field交叉）等。
高兴宇教授简介：中国科学院上海高等研究院研究员。1999年德国马丁―路德大学博士。长期从事磁性材料和有机分子薄膜研究，近几年也致力于钛矿光伏等研究，在同步辐射技术应用方面取得了一系列成果。在Phys. Rev. Lett.等刊物上发表文章160余篇。
孙宽教授简介：重庆大学能源与动力工程学院副院长、教授、博导。长期从事可印刷太阳能电池、薄膜热电材料与器件、导电高分子研究，在Nature Communications、Science Advances、Joule等期刊上累计发表SCI论文220余篇，被引用20000余次，H因子70。入选科睿唯安全球高被引科学家、斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家、Research.com发布的材料科学顶级科学家、“全球学者库”发布的全球顶尖前10万科学家等榜单。
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课 题 组 介 绍
柔性可再生能源材料与器件实验室（Laboratory of Flexible Renewable Energy Materials & Devices，简称La FREMD）成立于2019年，依托重庆大学能源与动力工程学院。团队现有教授、副教授、讲师、工程师、博士生和硕士生共70 余人，其中大多数专任教师毕业于海外知名高校，具备扎实的基础与国际视野。近年来，实验室围绕第三代光伏技术、有机/离子热电材料、导电高分子与柔性电子、光热转换材料及储能器件等前沿领域开展深入研究，取得了一系列重要成果。团队将薄膜制备、性能测试与结构表征等实验手段，与第一性原理计算、分子动力学模拟、机器学习等理论方法有机结合，形成了从机理解析、性能预测、材料设计与筛选，到合成制备、器件工程化的全流程研究能力。
课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD
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课 题 组 招 聘
一、招聘岗位
因团队科研发展需要，现面向相关领域招聘专任教师（包括弘深青年学者、副教授、准聘副教授、青年教师等岗位）。招聘长期有效，欢迎有志之士踊跃应聘。
二、招聘方向
第三代太阳能电池
有机热电材料、离子热电器件、热电池
导电高分子合成及应用、生物电极、电子皮肤
光热转换材料及器件
储能材料及器件
基于机器学习的能源材料开发
三、应聘条件
申请人应具备优异的国内外学习与科研经历，在相关领域取得高水平研究成果，具有较强的创新能力和发展潜力。应为博士毕业生，年龄一般不超过32岁。
四、薪资待遇
提供行业具有竞争力的待遇，专任教师及科研博士后对应的具体薪资待遇及福利请参考重庆大学人事处网站信息：https://cte.cqu.edu.cn/info/1273/6275.htm
有意者请与孙宽教授联系（kuan.sun@cqu.edu.cn）
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备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
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