Nat Energy：钙钛矿光伏材料非谐晶格动力学与热膨胀的原子起源

金属卤化物钙钛矿正迅速成为一类重要的光伏材料，但与传统半导体不同，它们表现出高度的晶格非简谐振动，导致极大的热膨胀率，并与其他器件层之间产生显著的失配。这种效应在自然昼夜循环的反复加热与冷却过程中加剧，累积应力导致缺陷产生并加速器件退化。

本文澳大利亚研究理事会Julian A. Steele从声子-声子相互作用、局域无序到复杂的热-相关系入手，系统阐明了钙钛矿中非谐晶格动力学的原子起源与宏观热机械性质之间的联系。我们评估了非谐程度与热膨胀率如何随温度、组分和相态变化，并指出在低对称性钙钛矿相中出现的各向异性甚至负热膨胀现象。通过将基础物理与器件层面的挑战相关联，我们为设计耐用的钙钛矿吸收层提供了理论框架，并概述了调控热应变、实现长寿命商业化太阳能电池的可行路径。

文章亮点：

1. 首次系统关联微观非谐性与宏观热膨胀：深入揭示了钙钛矿中强非谐声子相互作用、局域结构无序与极大热膨胀率之间的原子尺度机制，为理解其热机械失效根源提供了物理基础。

2. 阐明组分、相变与温度对热膨胀的复杂影响：指出不同A位阳离子（如MA⁺、FA⁺、Cs⁺）、卤素组成及晶体相对热膨胀行为的决定性作用，并首次系统总结了低对称相中各向异性及负热膨胀现象的起源。

3. 提出热应变调控与稳定性测试新策略：基于热失配公式与相工程原理，提出通过优化吸收层组分、匹配传输层热膨胀系数、引入柔性界面层等策略抑制热应力，并呼吁建立更贴近实际昼夜循环的加速测试协议。

Steele, J.A. Atomistic origins of anharmonic lattice dynamics and thermal expansion in perovskite photovoltaics. Nat Energy (2026).

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01938-y

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