山东大学于伟泳杰青团队 最新AM：晶粒空间隔离实现钙钛矿太阳能电池的光诱导晶格演化解耦

第一作者：何正言

通讯作者：王亮*，刘倩*，于伟泳*

单位：山东大学，山东慕尔斯新材料科技有限公司，广西大学

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电性能和简便的制备工艺而成为新一代光伏技术的研究热点，其认证效率已突破27%。然而，器件在实际工作条件下的稳定性仍是制约商业化的主要瓶颈。除湿度等化学因素外，光照、热应力及电场等物理作用亦会引起性能衰退，其中光致晶格动力学导致的光机械不稳定性尤为突出。由于钙钛矿晶格柔软且具有离子特性，光照易诱发晶格形变和应变积累，进而加速缺陷演化和离子迁移，导致器件快速老化。为此，本研究提出一种基于2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）的原位聚合策略。AMPS在退火过程中聚合生成柔性交联聚合物（P-AMPS），作为晶粒间的物理隔离层，实现晶粒空间分离，从而有效抑制光致晶格膨胀与应力积累，并阻断应变驱动的缺陷演化与离子迁移。系统研究表明，P-AMPS显著改善了薄膜结晶质量与晶格完整性，使无甲胺PSC实现25.78%的效率，并在ISOS-L-1条件下连续光照1500小时后仍保持83.52%的初始效率，展现出优异的运行稳定性。

近日，山东大学于伟泳课题组在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表了题为 “Decoupling photoinduced lattice evolution via grain spatial isolation for efficient and stable perovskite solar cells”的研究论文。该研究首次提出通过原位聚合形成晶粒空间隔离层的新策略，利用聚合物P-AMPS在晶粒间实现物理分离，从结构层面解耦光诱导晶格演化与应变积累过程。该方法有效缓解了光致应力传导与缺陷迁移，为提升钙钛矿器件的长期稳定性提供了新思路。

在钙钛矿薄膜退火过程中，引入含双键结构的AMPS单体，并添加自由基引发剂AIBN以触发聚合反应。加热过程中，AMPS的端基乙烯键被热激活，引发自由基聚合，在钙钛矿成膜的同时生成柔性交联聚合物P-AMPS。该聚合物能够在结晶过程中自发分布于晶粒边界处，形成连续的柔性网络结构。由此，进一步发现P-AMPS在晶界处形成的柔性缓冲层可在光照条件下吸收和缓解局域应变，这可为光机械稳定性的提升奠定基础。

在钙钛矿成膜后，P-AMPS作为柔性聚合物在晶粒边界处自发分布，P-AMPS在晶界处形成了约2.5 nm的空间间隔层，这有效阻止晶粒间直接接触，使各晶粒在受光照或应力作用时能够独立变形，从而避免了相互挤压与应力集中。P-AMPS构建的晶粒隔离网络为钙钛矿薄膜提供了稳定的内部结构支撑，是实现高效与稳定光伏性能的关键基础。

有限元模拟结果表明，P-AMPS在晶界处形成的柔性隔离层能够有效分散光致晶格膨胀引起的局域应力，使应变在晶粒内部均匀分布，避免了传统紧密晶粒间的应力集中与结构挤压。相比未隔离结构，P-AMPS修饰薄膜的晶粒与晶界应力水平显著降低，验证了其在应力调节与应变释放中的作用。此外，结合GIXRD与理论计算发现，P-AMPS可优化薄膜残余应变状态，削弱应力诱导的缺陷形成，从而提升钙钛矿晶格的光机械稳定性。

在FTO/SnO2/Perovskite/Spiro-OMeTAD/Au结构的n–i–p型器件中，P-AMPS在晶界形成连续聚合网络，有效钝化缺陷并保持载流子高效传输，使器件PCE从23.59%提升至25.78%，同时电学分析表明，P-AMPS降低了界面复合与载流子损失，提高了载流子寿命与电荷传输效率。在长期运行与环境稳定性测试中，P-AMPS修饰器件在空气中3000小时后仍保持初始效率的86.04%，而对照组仅为63.01%。在ISOS-L-1标准光照下运行1500小时后仍保持83.52%的初始效率，远高于未修饰器件的61.67%。上述结果证明，P-AMPS通过构建晶粒空间隔离与柔性应力缓冲网络，实现了高效率与长期稳定性的协同提升，为钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了新思路。

Decoupling Photoinduced Lattice Evolution via Grain Spatial Isolation for Perovskite Solar Cells

王亮：教授，博士生导师  齐鲁青年学者，山东省优青，山东省泰山学者青年专家，山东省高层次人才。2017年7月于华中科技大学武汉光电国家研究中心获得博士学位，2019年3月至2023年2月在华中科技大学武汉光电国家研究中心从事博士后研究工作，主要从事新一代半导体材料器件及薄膜光电子器件的集成一体化研究研究主要包括发光二极管、太阳能电池、探测器和器件集成等。迄今为止，以第一/通讯作者身份在 Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv、Adv. Mater.、Device、Adv. Energy. Mater. 、Adv. Funct. Mater. 、ACS Energy Lett.等期刊上发表高水平论文。2017年获得中国电子学会全国优秀博士论文，2020年获得中国电子学会自然科学二等奖，2023年湖北省自然科学一等奖。

刘倩：实验师，主要工作是各类材料的形貌、热学、电学和磁学表征分析，研究半导体新材料的结构设计、合成、解析及性能研究。迄今为止，以第一/通讯作者的身份在Adv. Mater.、Acta Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Inorg. Chem等期刊上发表多篇高水平论文。

于伟泳（文章署名William W. Yu）：教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。获国家自然科学二等奖、中科院自然科学一等奖、吉林省自然科学技术一等奖、吉林省自然科学学术成果一等奖、山东省高等学校优秀科研成果一等奖；发表论文300余篇，拥有中美英德授权专利33件，出版中文专业书《胶体半导体量子点》。主要研究功能纳米材料的制备及其在能源、电子、生物医学、环境、催化等方面的应用。

何正言，山东大学化学与化工学院博士生。研究钙钛矿太阳能电池。目前以第一/共一作者在国际权威SCI期刊上发表了10余篇论文，涵盖钙钛矿太阳能电池的掺杂工程、界面修饰、铅离子防护等方面的内容。

https://faculty.sdu.edu.cn/yuweiyong/zh_CN/

课题组致力于纳米材料的制备与性能研究，用于能源、光电器件、环境和生物医学等方面，欢迎具有有机合成、高分子、纳米材料、超材料、电致变色、模拟计算、柔性电子、智能可穿戴设备、纳米医学、环境、微纳光电子、光电器件等经验的研究者（应聘正高、副高、博士后或人才计划）。敬请将个人简历发送到yuwy@sdu.edu.cn后详谈。