浙大-港理工，首篇顶刊Watt，攻克钙钛矿晶界痛点

首次揭示混合晶面非对称降解机制，重塑钙钛矿太阳能电池运行稳定性！

0

1

研究背景

从光伏电站到便携式柔性电源，人们对“低成本、高效率”光伏技术的追求始终在推动着太阳能电池技术的不断演进。在众多路线中，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借极高的光电转换效率（单结已达28%，叠层超过35%），被视为下一代光伏技术的领跑者。然而，长期的运行不稳定性始终是悬在钙钛矿商业化头顶的“达摩克利斯之剑”。

在绝大多数提升稳定性的研究中，研究者往往将多晶钙钛矿薄膜视为一个“均质”的整体，所采用的缺陷钝化策略也多聚焦于宏观的体相或上下界面。然而，实际溶液法制备的多晶薄膜天然混合了（100）和（111）等不同取向的晶面。目前业界尚无统一的框架去分辨不同晶面上具体的缺陷性质，更缺乏关于“不同晶面在晶界处相遇时，究竟会发生怎样的微观电荷反应”的系统认识。这种对“微观异质性”的长期忽视，导致传统钝化策略往往治标不治本，无法消除隐藏在晶粒间隙中的深层降解路径。

0

2

本文亮点

近期，浙江大学杨德仁院士、倪朕伊研究员团队联合香港理工大学杨光教授团队在Watt期刊发表了题为“Stabilizing high-efficiency perovskite solar cells by homogenizing inter-grain recombination”的最新研究成果。该工作首次在微观尺度揭示了不同晶面主导的缺陷类型，创新性地开发出三维荧光成像手段揭示隐藏与非对称晶界的衰退机制。基于对不同晶面取向钙钛矿薄膜的微观载流子动力学表征，建立了贯通“单晶粒表面-异质晶界-全电池运行”的多维度机理分析框架，揭示了局部非平衡电荷积累所引发的晶界复合效应超越晶面本征稳定性，成为器件性能衰退的主导因素。最终提出通过“靶向晶界”钝化消除局部电荷失衡的有效策略，为构筑高稳定性、高效率钙钛矿太阳能电池提供了全新思路。

核心亮点

1.首次揭示“晶粒间非对称复合”诱导的衰减新机制

通过整合三维荧光成像（3D PL Mapping）、表面光电压（SPV）、正电子湮没寿命谱（PAS）及DFT计算等多种手段，团队首次对（100）与（111）晶面的主导缺陷进行了定性归属，并精准捕捉到了混合晶面晶界处由缺陷不对称引发的“非平衡空穴聚集”现象，深刻阐明了其诱导器件性能致衰减的微观物理机制。

2.确立空间限域与“双重锚定”的精准靶向钝化策略

针对晶界处的电荷聚集痛点，研究巧妙引入了3-氟苯乙基溴化铵（m-F-PEABr）钝化分子。利用其大体积骨架的空间排斥效应，将其精准限域在晶界。同时，其末端氨基与间位氟原子（C-F···I偶极耦合）各司其职，完美填补了(111)晶界侧的缺陷，实现了优异的空间匹配。

3.勾勒超稳钙钛矿器件的“理想钝化蓝图”

得益于非对称复合的有效消除，目标器件的光电转换效率（PCE）显著提升至 26.55%，并在连续1-sun光照下展现出优异的长期稳定性：室温T90寿命超2200小时，85℃极端热应力下T90寿命超过1250小时。在此基础上，本工作进一步指明了未来向稳定阳离子（胍盐/脒盐）演进的分子设计蓝图，为突破钙钛矿电池的高温光照稳定性的奠定了坚实的理论与实验基础。

0

3

图文解析

图1. 晶面依赖的缺陷性质与光稳定性。(a) 不同晶面主导PSCs老化前后J-V曲线。(b) 老化前后的XRD图谱。(c) 混合薄膜光老化原位PL Mapping。(d-e) 孤立晶面扩散系数与平均寿命老化追踪。(f) DFT计算缺陷形成能。(g-i) SPV与tDOS测试。

要点总结：为了系统厘清多晶薄膜的微观降解机制，研究团队首先探究了孤立晶面的固有光稳定性。DFT计算与SPV测试表明，(100)晶面主要受电子捕获型缺陷（VI+）主导，而(111)晶面则富集空穴捕获型缺陷（VFA-）。在单晶粒尺度下，(111)晶面表现出更优异的固有光稳定性。然而，在(100)-(111)混合薄膜中，本应更稳定的(111)晶粒，其衰减速度甚至快于(100)晶粒。这强烈暗示了混合晶面异质结界面（晶界）处存在一条尚未被认知的隐藏降解路径。

图2.缺陷依赖的非对称晶粒间复合机制。(a-b) 晶界复合速度测量示意图与PL Mapping。(c-e) 不同晶面相邻晶界处的载流子扩散曲线及中心位置提取。(f-h) TRPL衰减、正电子湮灭寿命谱（PAS）及瞬态吸收（TA）光谱。

要点总结：借助共聚焦载流子扩散成像技术，团队直接揭示了上述反常降解机制的微观根源。结果显示，(100)-(111)异质晶界两侧存在严重的“非对称复合”：(100)侧的晶界复合速率（SGB）约为300 cm/s，而(111)侧高达800 cm/s。结合PAS与TA的深入分析证实，这种明显的复合非对称性源于(111)晶界侧高度富集的VFA-缺陷。正是这种微观尺度的缺陷异质性与不均匀复合，成为了加剧薄膜整体非辐射复合损失、诱导器件性能衰减的关键诱因。

图3. 非对称复合诱发光不稳定性机理。(a-b) 混合晶面薄膜中晶粒间电荷动力学机制示意图。(c) 光照前后高分辨率3D PL强度重构演变图。

要点总结：作为机理推演的核心，团队勾勒出了光致降解的动态演化图像。由于晶界两侧缺陷类型的空间不对称性，异质晶界处自发形成了一个由(100)指向(111)的微米级内建电场。在光照下，该电场定向捕获并强行驱使空穴向(111)晶粒迁移，导致其晶界侧发生严重的非平衡空穴聚集，进而触发碘间隙缺陷的深度氧化与随后的晶格坍塌。高分辨率3D PL重构图直观地证实：光照后，(111)晶粒严格沿着晶界区域发生了剧烈的局部降解。这表明“电荷累积-结构失稳”的动态耦合是诱发晶界劣化的根本诱因。

图4. 匀化晶粒间复合以实现高光稳PSCs。(a-b) AFM及IR映射图（C-F振动信号）。(c-e) 钝化后的TRPL Mapping与载流子扩散曲线。(f) tDOS缺陷态密度。(g) 目标器件的J-V曲线。(h) 未封装器件MPP运行稳定性追踪。

要点总结：通过引入m-F-PEABr，团队成功遏制了这一引发器件失效的致命途径。AFM-IR成像证实，得益于体积位阻排斥效应，m-F-PEABr分子被被精准靶向限域在晶界区域。其特有的双重锚定效应将(111)晶面侧的SGB显著降至约320 cm/s，从而彻底消除了非对称电荷复合。基于此策略，钙钛矿电池斩获了26.55%的优异光电转换效率，并在室温和85°C的1-sun连续照射下分别实现了超过2200小时和1250小时的T90超长运行寿命。

0

4

总结与展望

本工作打破了以往钙钛矿电池研究中将多晶薄膜进行“宏观同质化处理”的传统认知局限，首次建立了一个将晶面异质性、晶界不对称复合与器件全局寿命深度绑定的统一框架。研究表明，多晶薄膜中不同晶面的无序交汇不可避免地会诱发局部电荷非平衡分布，而这种微观尺度的“热力学与动力学非平衡态”正是触发器件宏观劣化与失效的内在根源。通过靶向钝化以匀化晶粒间的复合差异，高质量多晶薄膜有望同时构筑超高效率与工业级稳定性的全电池。展望未来，该框架所揭示的靶向双重锚定机制，为理性设计具有更高理论耐热极限的下一代钝化分子（如引入具有共振稳定结构的胍盐或脒盐基团）提供了关键的定量基准与分子创制蓝图。