李永舫院士领衔！苏州大学，最新Science！

突破柔性钙钛矿太阳能电池大面积制备瓶颈，认证效率达20.2%！

柔性钙钛矿太阳能电池因具有轻质、可弯曲和高光电转换效率等优势，被认为是下一代光伏技术的重要发展方向。与传统刚性太阳能电池不同，柔性器件能够适应建筑曲面、交通工具、可穿戴电子设备以及便携式电源等多种应用场景，为太阳能的利用提供更多可能。目前，小面积柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已达到26.22%，逐渐接近刚性器件。然而，当器件面积由实验室中的平方厘米级扩大至实际应用所需的大面积组件时，其光电转换效率和运行稳定性往往明显下降。 如何在大面积柔性基底上实现高质量钙钛矿薄膜的均匀制备，并兼顾效率与稳定性，仍是制约柔性钙钛矿光伏技术商业化的重要难题。

针对这一挑战，苏州大学李永舫院士、李耀文教授和许桂英副教授揭示了柔性基底表面羟基容易脱附与自组装单分子层（SAM）锚定缓慢之间的动力学竞争关系，并提出了一种自组装单分子层与钙钛矿解耦共沉积策略。通过引入具有双重相互作用位点的BSAI分子，研究人员有效削弱了钙钛矿前驱体与SAM分子之间的相互作用，同时改善钙钛矿结晶过程。最终，小面积柔性钙钛矿太阳能电池获得了26.9%的认证光电转换效率，基底面积达1050 cm²的大面积柔性组件实现了20.2%的认证效率。此外，组件在85°C条件下运行超过1000小时后仍保持92%以上的初始效率，并通过了国际柔性便携式光伏组件相关可靠性测试，为高性能柔性钙钛矿光伏器件的规模化制备提供了新的思路。相关成果以“Decoupled self-assembled monolayer and perovskite deposition for efficient flexible solar modules”为题发表在《Science》上，Yeyong Wu, Xikun Zhang, Tiankai Zhang为共同第一作者。

柔性基底的难题：为什么面积一大，效率就下降？

研究团队首先比较了传统顺序沉积和共沉积两种工艺在刚性玻璃/ITO与柔性PET/ITO基底上的表现。结果发现，采用共沉积方法时，刚性组件的平均光电转换效率达到22.0%，而柔性组件仅为14.6%；即使采用顺序沉积，柔性组件的平均效率也只有15.8%（图1a）。这表明，将适用于刚性基底的制备工艺直接应用于柔性基底，并不能获得同样优异的性能。进一步的X射线光电子能谱分析揭示了问题所在。柔性PET/ITO表面羟基氧与晶格氧的比例仅为15%，明显低于玻璃/ITO的29%（图1b、c）。虽然等离子体处理能够暂时增加表面羟基数量，但这些羟基在接触极性溶剂后容易脱附。例如，经过DMF清洗后，柔性基底的羟基氧与晶格氧比例由53%下降至21%，而玻璃基底仅由58%下降至49%。这种差异直接影响SAM分子的锚定。图1d中的磷元素信号表明，柔性基底上的SAM锚定程度明显低于刚性基底。更重要的是，传统共沉积过程中，SAM分子还会与钙钛矿前驱体发生较强相互作用，进一步延缓其与基底结合。当SAM分子尚未充分锚定时，基底表面的羟基就已大量流失，最终导致SAM覆盖不均匀，并影响后续钙钛矿结晶（图1e）。

图1：柔性基底表面羟基易脱附及其对钙钛矿组件性能的影响。

引入解耦分子，让SAM先一步完成锚定

既然问题出在SAM锚定速度跟不上表面羟基流失速度，那么能否通过调节分子间相互作用，让SAM更快地与基底结合？基于这一思路，研究团队提出了解耦共沉积策略，并设计了具有铵基和两个磺酰基的3,5-双(甲磺酰基)苯基碘化铵（BSAI）分子。与传统方法不同，该策略并不是简单增加基底表面的羟基数量，而是通过调控前驱体中的分子相互作用，加快SAM的界面锚定过程。

傅里叶变换红外光谱和核磁共振分析表明，与仅含磺酰基或铵基的对照分子相比，BSAI能够更有效地削弱SAM分子Me-4PACz与钙钛矿前驱体之间的相互作用（图2a、b）。密度泛函理论计算进一步显示，BSAI与Pb-I骨架的结合能为−1.43 eV，明显强于Me-4PACz的−0.60 eV。这意味着BSAI能够优先与钙钛矿前驱体结合，使原本受到前驱体束缚的Me-4PACz分子更容易释放出来，并向ITO表面迁移。原位红外光谱进一步证实了这一作用机制。传统共沉积体系中，Me-4PACz的明显锚定过程启动较慢，而引入BSAI后，相关特征峰在约5分钟时便开始快速变化，表明SAM分子能够更早参与界面锚定（图2c–e）。与此同时，时间分辨XPS测试也证实，加入BSAI后，基底表面的SAM锚定程度显著提高（图2f–h）。研究人员据此建立了两种沉积过程的界面演化模型（图2i–p）。传统工艺中，SAM分子受到钙钛矿前驱体的牵制，难以及时与基底结合；而BSAI的加入削弱了这种竞争，使SAM能够在表面羟基大量脱附之前完成更充分的锚定，并形成稳定的三齿锚定结构。这一改变为高质量界面和钙钛矿薄膜的形成奠定了基础。

图2：解耦共沉积策略及Me-4PACz分子的界面锚定动力学。

从界面到晶体：实现大面积均匀生长

解耦共沉积策略不仅改善了SAM分子的锚定行为，也对钙钛矿薄膜的生长过程产生了重要影响。通过飞行时间二次离子质谱分析，研究人员发现，引入BSAI后，Me-4PACz更加集中地分布在靠近ITO基底的界面区域，而非残留在钙钛矿薄膜内部（图3a、b）。高角环形暗场扫描透射电子显微镜进一步显示，传统工艺制备的SAM存在覆盖不连续、厚度不均等问题，而优化后的SAM形成了厚度约1–2 nm的连续均匀层（图3c、d）。原子力显微红外成像同样证实，Me-4PACz在基底表面的横向分布更加均匀（图3e、f）。更值得关注的是，BSAI还能调节钙钛矿的结晶动力学。原位光致发光测试表明，加入BSAI后，钙钛矿中间相的成核起始时间由22.1秒延迟至30.5秒（图3g、h）。适度延缓成核能够减少无序晶核的形成，为后续晶体有序生长创造条件。同步辐射掠入射广角X射线散射结果进一步证实，优化后的钙钛矿薄膜有效抑制了不利的δ相及部分杂乱取向晶体的形成，表现出更加明显的α相(001)择优取向（图3i、j）。这说明，解耦共沉积策略实现了SAM界面锚定与钙钛矿结晶过程的协同调控，使大面积薄膜同时具备更加均匀的界面结构和更高的结晶质量。

图3：解耦共沉积策略对SAM分布及钙钛矿结晶行为的调控。

从小面积电池到1050 cm²柔性组件

高质量薄膜最终能否转化为优异的器件性能，是评价这一策略实际价值的关键。研究团队采用狭缝涂布工艺制备了不同面积的柔性钙钛矿薄膜。图4a、b显示，传统工艺制备的1050 cm²薄膜在不同区域存在明显的光致发光强度差异，而采用解耦共沉积策略后，整个大面积薄膜表现出更加均匀的发光特征，证明该方法能够有效改善规模化制备过程中的薄膜均匀性。在器件性能方面，面积为0.0628 cm²的小面积柔性钙钛矿太阳能电池实现了26.9%的光电转换效率，并获得第三方认证，明显高于传统共沉积工艺的24.5%（图4c、d）。随着器件面积增加，该策略仍表现出良好的效率保持能力。研究团队分别制备了基底面积为25、100和1050 cm²的柔性钙钛矿组件，其对应的认证光电转换效率达到22.3%、20.6%和20.2%（图4e–g）。需要指出的是，这三种组件对应的实际测试器件面积分别为14.55、80和750 cm²。相比之下，传统共沉积工艺制备的相应组件效率仅为15.3%、11.5%和7.95%。通过对不同面积器件进行比较可以发现，新策略显著缓解了器件放大引起的效率损失，在大面积柔性钙钛矿组件中展现出具有竞争力的性能（图4h、i）。

图4：解耦共沉积策略制备的柔性钙钛矿太阳能电池及组件光伏性能。

不仅效率高，还要经受长期运行考验

对于柔性太阳能电池而言，较高的初始效率只是第一步。长期光照、高温、高湿以及反复弯曲带来的性能衰减，同样决定着其能否进入实际应用。研究团队首先在85°C条件下开展最大功率点跟踪测试。结果显示，经过1044小时连续运行后，采用解耦共沉积策略制备的封装柔性组件仍保持92.5%的初始效率，而传统工艺制备的组件仅剩42.1%（图5a）。在85°C、85%相对湿度条件下老化1050小时后，优化组件仍保持94.6%的初始效率（图5b）。在−40°C至85°C的温度循环测试中，优化组件经过200次循环后仍保留95.1%的初始性能（图5c）。对于刚性组件，相同策略同样有效，在85°C条件下老化2520小时后，仍保持约97.4%的初始效率（图5d–f）。此外，柔性组件经历10000次弯曲循环后，仍保持92.1%的初始效率，表明其具有较好的机械耐久性。值得注意的是，研究团队制备的商业化尺寸柔性组件还通过了TÜV SÜD依据IEC TS 63163:2021开展的全部规定测试序列，为其实际应用可靠性提供了进一步验证。

研究人员还展示了柔性组件在便携式充电和无人机供电中的应用。实验中，重量仅20.31 g的柔性组件在晴朗天气下能够输出20.5 W功率，即使在多云傍晚也能达到12.1 W（图5g）。当柔性组件集成至遥控无人机的弯曲机翼后，尽管总重量增加约8%，飞行续航时间却由8分钟延长至19分钟，飞行距离由约4 km增加至9.5 km（图5h）。这一结果直观展示了柔性钙钛矿组件在移动能源场景中的应用潜力。

图5：柔性钙钛矿太阳能组件的运行稳定性与实际应用。

小结

这项研究从柔性基底表面羟基容易脱附这一关键问题出发，揭示了SAM锚定与钙钛矿结晶之间的相互制约关系，并通过BSAI辅助的解耦共沉积策略，实现了界面锚定动力学与钙钛矿晶体生长过程的协同优化。该方法不仅获得了26.9%的小面积柔性电池认证效率，还推动大面积柔性钙钛矿组件实现20.2%的认证效率，并在高温、高湿、热循环及机械弯曲测试中表现出良好的稳定性。更重要的是，研究将分子尺度的界面调控与可扩展薄膜制备工艺相结合，为解决柔性钙钛矿组件从实验室走向规模化应用过程中的效率损失难题提供了新路径。未来，随着长期户外运行验证、组件封装技术和规模化制造工艺的进一步完善，柔性钙钛矿太阳能电池有望在便携式电子设备、交通工具及移动能源系统等领域发挥更大作用。