赵清&骆超Sci. Adv.突破湿度限制：构建湿度开关可实现超宽湿度范围内钙钛矿太阳能电池的可控制造

第一作者：马亚斌(北京大学)

通讯作者(单位)：赵清(北京大学)、骆超(北京大学/新加坡国立大学)

研究创新点

1. 长链疏水十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）作为最优开关分子，在退火初期开关打开，允许湿气进入薄膜以促进结晶。

2. 随湿气促进结晶的进行，DTAB逐渐迁移到薄膜表面。湿气促进结晶使命完成后，DTAB在薄膜表面构建疏水层，湿气开关关闭以保护钙钛矿薄膜免受湿气进一步破坏。

3. 首次在钙钛矿薄膜中构建湿度响应型自保护机制，实现从20%至93%宽湿度范围内高质量钙钛矿薄膜的可控制备，突破季节性湿度波动对产业化的限制。

背景介绍

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电性能和低温溶液加工特性，成为下一代光伏技术的有力竞争者。然而，其制备过程中对环境湿度极其敏感，既需要一定的湿度来促进高质量结晶，过高的湿度又会剧烈地破坏钙钛矿薄膜。尤其是甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI₃），必须在严格的狭窄湿度（30%-40%）窗口下退火，严重制约其大规模商业化生产。

成果简介

北京大学赵清、骆超等人提出了一种创新的“湿度开关”策略，通过引入DTAB分子，在退火初期允许水分进入薄膜以促进结晶，同时DTAB分子在薄膜内部调控钙钛矿的高质量结晶。随结晶的自下而上完成，DTAB分子自发迁移至薄膜表面形成疏水层，构建关闭的湿度开关，阻断水分进一步侵入。该自响应型湿度开关最大化湿度对钙钛矿结晶的促进又防止了过高的湿度对薄膜的破坏，从而实现从20%到93%宽湿度范围内高质量钙钛矿薄膜的制备。该成果以Crystallization-activated moisture barrier for high-tolerance manufacturing of perovskite solar cells为题，在线发表于Science Advances。

结果与讨论

1.湿度对钙钛矿薄膜制备的双刃剑效应

研究表明，适量湿度可促进钙钛矿结晶，但过高湿度会导致结构分解。作者通过系统实验揭示不同湿度下薄膜质量的变化，并指出季节性湿度波动是产业化面临的主要挑战（图1）。在氮气环境下退火的薄膜结晶质量较差，而40%相对湿度（RH）的环境能有效促进结晶，获得更光滑、晶粒更大、缺陷更少的薄膜。然而，当湿度进一步升高（如至70%乃至90%以上）时，水蒸气会侵蚀薄膜，导致有害孔洞的产生、晶体质量下降以及缺陷密度显著增加。这源于过量的水分与吸湿性的甲脒碘（FAI）反应，诱发有机阳离子逃逸和无机骨架坍塌。由于全年的湿度波动，在真实生产环境中维持狭窄的最佳湿度窗口极具挑战，凸显了开发宽湿度适应性退火策略的紧迫性。

2.开关分子的合理设计与筛选

通过分子结构设计与DFT计算，筛选出DTAB作为最优开关分子，其具备长烷基链、强吸电子基团、大尺寸分子等特点，既能促进结晶，又能形成有效疏水屏障（图2）。为实现“按需”调控湿度，作者提出了筛选“湿度开关”分子的四个关键准则：合适的疏水长烷基链、兼具亲/疏水基团以实现自发表面迁移、足够大的分子量以避免进入晶格、以及强配位能力以钝化缺陷。通过系统性的分子库筛选（包括改变烷基链长度和亲水头基），并结合密度泛函理论（DFT）计算，作者最终确定十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）为最优选择。DTAB不仅能够有效形成疏水屏障，其强吸电子的季铵盐基团与PbI₂具有适宜的相互作用能，利于结晶调控与缺陷钝化。

3.开关“开启”：湿度与分子协同促进结晶

原位PL与SEM分析表明，DTAB显著提升成核速率与晶体质量，抑制缺陷生成，获得更平整、缺陷更少的钙钛矿薄膜（图3）。在退火初始阶段，“湿度开关”处于“开启”状态。通过原位光致发光（PL）光谱监测，作者发现DTAB的引入显著改变了钙钛矿的结晶动力学：增加了成核位点、加快了成核速率、并延长了晶体生长时间。SEM和原子力显微镜（AFM）结果表明，添加DTAB的薄膜表面更平整光滑（粗糙度从21.2 nm降至16.0 nm），晶界凹槽和晶面凹陷等缺陷被有效抑制。这表明在开关“开启”阶段，DTAB与水分协同作用，共同引导了高质量钙钛矿薄膜的形成。

4.开关“关闭”：自发迁移形成表面保护层

接触角测试与ToF-SIMS证实，DTAB在结晶完成后迅速迁移至表面，形成疏水层，有效阻隔高湿度环境对薄膜的侵蚀（图4）。关键之处在于开关的“自动关闭”机制。接触角测试清晰显示，在退火开始后约5秒内，薄膜从亲水性（接触角~42°）迅速转变为疏水性（接触角~84°）。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）深度剖析证实，DTAB分子在退火过程中自发由体相向表面迁移。这一过程由表面能最小化驱动，从而在钙钛矿薄膜表面形成一层致密的超疏水层，有效“关闭”了水分子通道。正因如此，即使在高达93%的极端湿度下，目标钙钛矿薄膜仍能保持结构完整、晶相纯净，展现出卓越的湿度不敏感性。

5.器件性能与稳定性验证

在20%-93%湿度范围内制备的器件均表现出高效率和良好重复性。未封装器件在ISOS-D-1、ISOS-L-1和ISOS-D-3条件下均表现出卓越的稳定性，尤其在85℃/85%RH条件下T85 > 350小时（图5）。基于该策略制备的n-i-p结构钙钛矿太阳能电池实现了25.33%的冠军效率（填充因子高达84.93%），且器件性能分布集中，重复性优异。更重要的是，该策略极大地拓宽了制备过程的湿度窗口：在20%至93%的宽湿度范围内，器件效率均保持在较高水平，甚至在93% RH下仍能获得23.55%的效率。在稳定性方面，未封装的器件在环境空气中（ISOS-D-1）存储2602小时后保有初始效率的94.6%；在连续光照（ISOS-L-1）下566小时后保持86.5%；在严苛的双85 damp-heat测试（ISOS-D-3）中，T85寿命超过350小时。CLSM原位观测进一步证明，该薄膜对电场耦合湿度的侵蚀也具有极强的抵抗能力。

总结

本研究通过引入“湿度开关”分子DTAB，成功实现了钙钛矿太阳能电池在宽湿度范围内的可控制备，显著提升了器件的效率与环境稳定性。该策略为解决钙钛矿产业化中的湿度敏感问题提供了高可行性技术路径。

图1. 湿度对钙钛矿薄膜制备的双刃剑效应。

图2. 开关分子的合理设计与筛选。

图3. 开关“开启”：湿度与分子协同促进结晶。

图4. 开关“关闭”：自发迁移形成表面保护层。

图5. 器件性能与稳定性验证。

参考文献：Yabin Ma et al., Crystallization-activated moisture barrier for high-tolerance manufacturing of perovskite solar cells. Sci. Adv.11, eaay5703 (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady5703

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady5703

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