Science发文！我院吴炳辉教授与我校郑南峰院士团队合作提出利用普鲁士蓝调控钙钛矿太阳能电池离子动力学

我院吴炳辉教授与我校郑南峰院士团队合作，从面向大学一年级本科生的无机化学研讨课程中获得启发，提出利用普鲁士蓝框架贯通调控钙钛矿的材料形成、缺陷演化与器件运行过程中离子动力学的新策略。北京时间9月25日，该团队联合暨南大学、清华大学、西安交通大学、瑞典乌普萨拉大学、中科院高能物理研究所、中科院上海高等研究院等合作单位完成的相关研究成果，以“Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells”为题在线发表于国际学术期刊Science。（论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aef5487）

金属卤化物钙钛矿是钙钛矿太阳能电池的核心光吸收层材料，是一类典型的软离子半导体。此类材料兼具优异光电性能和低温溶液加工优势，但其晶格内部的离子在光照、温度和电场等外场作用下易发生迁移与重新分布，进而改变局域电子环境、加剧缺陷演化，影响器件的运行稳定性。因此，如何将结晶阶段的结构缺陷与运行阶段的离子迁移纳入同一因果框架并加以协同调控，已成为提升钙钛矿光伏长期运行稳定性的关键科学问题。

我院郑南峰院士，智能智造学院吴炳辉教授研究团队从面向大学一年级本科生的无机化学研讨课程中获得启发，提出利用普鲁士蓝框架贯通调控钙钛矿的材料形成、缺陷演化与器件运行过程中离子动力学的新策略。北京时间9月25日，该团队联合暨南大学、清华大学、西安交通大学、瑞典乌普萨拉大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院上海高等研究院等合作单位完成的相关研究成果，以“Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells”为题在线发表于国际学术期刊《Science》。（论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aef5487）

从材料形成到器件运行

钙钛矿薄膜通常由前驱体溶液经过中间相转化、晶体成核和晶粒生长形成。结晶过程中产生的晶格无序、残余应变和元素缺陷，不仅影响器件的初始光电性能，还可能在后续光、热和电场作用下持续演化，成为离子迁移和性能衰减的起点。研究团队将普鲁士蓝纳米颗粒引入钙钛矿吸光层，利用其与钙钛矿相近的晶格特征、可逆氧化还原活性和开放框架结构，使其同时参与材料形成与器件运行两个阶段的调控。在成膜过程中，普鲁士蓝规则的配位框架能够提供异质成核位点，调节钙钛矿从前驱体向晶态薄膜转变的动力学过程。原位光致发光和掠入射广角X射线散射结果显示，引入普鲁士蓝后，钙钛矿的成核、中间相转化和晶体生长过程得到有效调控，最终形成具有更明显择优取向和更低局域应变的薄膜。

图1｜普鲁士蓝引导钙钛矿结晶过程。

调控缺陷演化与离子迁移

金属卤化物钙钛矿在制备和运行过程中可能产生Pb⁰和I⁰异常价态物种。这些物种不仅会增加非辐射复合损失，还可能参与后续的材料分解和离子迁移过程。研究结果表明，普鲁士蓝中的Fe²⁺/Fe³⁺混合价态中心能够参与铅、碘相关异常价态物种的氧化还原转化，并在保持主体配位框架稳定的同时，调节缺陷的价态演化。研究团队进一步结合原位飞行时间二次离子质谱和开尔文探针力显微镜，分别观察外加电场作用下的离子分布和局域接触电势变化。在对照薄膜中，位于钙钛矿晶格中的A位阳离子和碘离子在电场作用下发生明显的空间重分布，并伴随局域接触电势变化；引入普鲁士蓝后，离子的长程迁移和重新分布受到抑制，其中对Cs⁺迁移的抑制尤为明显，同时电场诱导的局域电势变化也显著减小。相关结果进一步揭示了离子迁移、局域自掺杂状态和电子环境变化之间的联系，表明钙钛矿器件的稳定性不仅取决于初始缺陷密度，还与器件运行过程中离子和电子过程的动态耦合密切相关。

图2｜原位离子分布与局域电势表征揭示离子—电子耦合过程。

从小面积器件拓展至大面积模组

为检验该材料策略在不同器件结构和面积放大条件下的适用性，研究团队分别在正置和倒置钙钛矿太阳能电池中进行了验证。引入普鲁士蓝后，两类小面积器件的光电转换效率均超过26%。在面积放大过程中，6 cm × 6 cm正置结构模组获得23.4%的效率；30 cm × 30 cm倒置结构模组获得22.9%的第三方认证效率。在稳定性方面，研究团队开展了湿热、连续最大功率点跟踪和温度依赖加速老化测试，并将钙钛矿模组与商业硅参考器件置于相同户外环境中进行151天的同步监测。测试期间，未观察到钙钛矿模组相对于硅参照器件的明显性能下降趋势。

图3｜湿热老化、连续最大功率点跟踪、不同温度下的加速老化及户外运行测试。

从静态缺陷钝化拓展至动态过程调控

该研究将钙钛矿薄膜的形成与器件运行视为一个相互关联的连续过程。研究结果表明，结晶阶段形成的结构和缺陷会影响后续离子迁移行为，而离子的重新分布又会进一步改变局域电子环境，进而影响器件性能与稳定性。普鲁士蓝凭借其晶格匹配特征、混合价态中心和开放框架结构，协同调控晶体生长、缺陷转化和离子迁移。这项工作将推动金属卤化物钙钛矿稳定性研究从针对单一缺陷的静态钝化，拓展至对材料形成与器件运行全过程的动态协同调控，并为设计兼具结构引导、氧化还原缓冲和离子调控功能的开放框架材料提供新的思路。

该研究工作由厦门大学化学化工学院郑南峰院士、智能制造学院吴炳辉教授，暨南大学麦耀华教授、刘冲副研究员，以及清华大学易陈谊副教授共同指导完成。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省自然科学基金、嘉庚创新实验室相关项目和新基石科学基金等资助。