麻省理工最新Science：新型二维/三维结构突破钙钛矿电池稳定性瓶颈，实现25.9%效率与超长寿命

虚谷纳物 11小时前 127浏览

【科学背景】

钙钛矿太阳能电池因其高效率和低成本成为光伏领域的研究热点，但其长期稳定性问题阻碍了商业化进程。近年来，二维/三维（2D/3D）钙钛矿异质结构通过表面缺陷钝化、抑制离子迁移和环境隔离等机制，显著提升了器件稳定性。然而，传统二维层在器件老化过程中易发生动态相变（如分解为低维相或PbI₂），导致性能衰减。现有研究多关注二维层的初始优化，却忽略了其在长期运行中的结构演化规律。本文聚焦于二维层在动态老化过程中的稳定性机制，提出通过混合溶剂调控二维相的结晶性和相纯度，解决其结构退化问题。

【成果简介】

近日，来自麻省理工学院化学系的Moungi G. Bawendi教授联合美国国家可再生能源化学与纳米科学中心的朱凯教授团队报道了一种通过混合溶剂策略自发形成高稳定二维钙钛矿相的方法，显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率和耐久性。研究表明，传统二维层在器件老化过程中会动态演化为低维相或PbI₂，导致缺陷钝化失效和性能衰减。通过引入甲基铵（MA）添加剂与混合溶剂（如二甲基亚砜/异丙醇），可精准调控二维钙钛矿（n=2）的结晶动力学，实现无副产物（如未反应的PbI₂或n=1相）的高纯度二维相。优化后的二维/三维异质结构器件实现了25.9%的功率转换效率，并在85°C最大功率点追踪下连续运行1074小时后仍保持91%的初始性能。结合原位表征与理论计算，揭示了溶剂与钙钛矿表面的相互作用机制，以及MA在热力学上促进高维相形成的关键作用。该研究为设计长寿命钙钛矿光伏器件提供了新思路。相关成果以“Spontaneous formation of robust two-dimensional perovskite phases”为题发表在国际著名期刊Science期刊上。

 

【图文导读】

图1  不同溶剂体系下二维钙钛矿的结晶动力学与载流子寿命© 2025 AAAS

(A至H) 通过原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）分析不同溶剂体系（Oc、OcMA、OcMA:F、OcMA:S）的二维钙钛矿形成过程：(A, C, E, G) 初始相组成；(B, D, F, H) 退火后的最终相组成。OcMA:S体系（G, H）在退火后自发形成纯相二维（n=2）钙钛矿，无残留PbI₂或n=1相。(I) 二维（n=2）相的结晶度量化（基于积分峰面积比）。(J, K) 载流子寿命与二维结晶度的相关性：OcMA:S体系的载流子寿命（4205 ns）较裸三维钙钛矿（1067 ns）提升394%。

图2. 二维钙钛矿制备机制扩展、电位均匀性及载流子动力学© 2025 AAAS

(A) 不同溶剂体系（OcMA:F、OcMA:N等）的二维结晶度与初始相分布关系图。(B) 溶剂分子与三维钙钛矿表面的结合能计算（单位：eV/分子）。(C至E) 三维钙钛矿表面与乙腈（C）、碳酸丙烯酯（D）、二甲基亚砜（E）结合的分子动力学模型。(F, G) 原子力显微镜（AFM）形貌（F）与开尔文探针力显微镜（KPFM）电位分布（G）：OcMA:S体系的晶内电位均匀性显著优于对照组。比例尺：1微米。(H) 瞬态反射光谱（TRS）显示OcMA:S体系的载流子扩散速率更快（50 ps内50%载流子迁移）。(I) 瞬态微波电导（TRMC）表明二维层对三维体相载流子寿命影响有限

图3. 器件性能与稳定性测试© 2025 AAAS

(A) 基于不同二维/三维结构的冠军器件电流密度-电压曲线（CBD-SnO₂基底）。(B) 器件效率分布直方图。(C) OcMA:S冠军器件（效率25.9%）的滞后效应可忽略。(D) 最大功率点（MPP）跟踪下器件稳定性：OcMA:S器件在40–45°C下运行1700小时保持96.4%初始效率。(E) 暗态热稳定性测试（65–75°C）：OcMA:S器件2100小时后效率保持86%。(F, G) 高温MPP跟踪：65°C下800小时（95%保持率）、85°C下1074小时（91%保持率）。

图4. 二维钙钛矿层的动态演化机制：© 2025 AAAS

(A) 老化后OcMA:S器件的XRD图谱：二维（n=2）相在2500小时光照后未发生相变。(B) 飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）深度剖析显示，二维层降解后离子（如I⁻）向传输层扩散加剧。(C) 二维层演化示意图：对照组（Oc）的混合相逐渐分解为n=1相和PbI₂，而OcMA:S体系保持纯相二维结构。

【科学启示】

混合溶剂通过调节溶解-再结晶平衡，可同时优化二维相的结晶性和相纯度，为钙钛矿材料合成提供了普适性方法。本研究不仅解决了二维钙钛矿的稳定性难题，也为其他层状材料体系（如量子点、二维半导体）的动态稳定性设计提供了重要参考。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr1334

分享到