科研进展| 南昌航空大学Small: 空气化制备的钙钛矿太阳能电池
Linhui Tang, Ligang Yuan*, Yuyan Dong, Weiqing Liu*, Pihuang Yang, Zhijie Gao, Jia Kou, Xiao Wu, Jianwei Chen, Honggang Chen, Peng Huang, Chaohui Xiong, Xinhui Lu, Junhong Duan, Wenhao Chen, Keyou Yan*,“Suppressing the Oxygen/Moisture Effect with 9-Fluorenylmethyl Carbazateto Facilitate Ambient-Fabrication of Stable Perovskite Solar Cells,” Small, 2026, e14927.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202514927
https://doi.org/10.1002/smll.2025149271. 研究背景
近年来，有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）认证效率已突破27.3%，展现出巨大的商业化潜力。然而，高效器件通常依赖惰性氛围制备，导致成本上升。适量水分虽可调节结晶，但空气中水氧会严重干扰薄膜形貌与晶粒生长。为此，研究者提出了反溶剂工程与环境控制等策略，可在50-70%相对湿度下制备出效率超过22%的器件。尽管如此，制备过程中钙钛矿薄膜仍易吸附水分子，引发组分分解、结构坍塌及表面缺陷等不可逆降解。因此，如何在空气环境中实现高效、稳定的PSCs制备，仍是当前面临的重大挑战。2. 创新点
提出一种适用于空气环境制备钙钛矿太阳能电池（PSCs）的抗水氧策略，通过在钙钛矿前驱体中引入兼具还原性肼基（-NHNH2）和疏水性芴基的氨基甲酸9-芴基甲酯（9FC）分子作为添加剂（图1）。9FC通过羰基（C=O）和肼基（-NHNH2）与钙钛矿形成多齿螯合配位键，有效促进了薄膜结晶取向并减少了缺陷密度。该分子均匀分布于薄膜中，显著增强了表面疏水性，从而在空气环境制备过程中有效阻止水分侵蚀，减少缺陷产生。同时，其-NHNH2基团可抑制I-氧化为I2。最终，9FC掺杂的PSCs实现了24.83%的光电转换效率。3. 结果与讨论
3.1 9FC与钙钛矿薄膜的化学相互作用
通过密度泛函理论计算9FC的表面静电势（图1a），其C=O中的O原子与-NHNH2中的N原子呈负电性，而相邻-NHNH2中的H原子呈正电性，这些官能团为钙钛矿提供了结合位点，从而调控其薄膜结晶过程。XPS（图11b-c）和1H NMR（图1d-e）的测试结果进一步证实，C=O与-NHNH2基团均与钙钛矿组分发生相互作用，从而有效钝化缺陷。此外，如图1 h-i所示，在FAI溶液中添加9FC后，可有效抑制I3-的形成，证实了-NHNH2能抑制I-离子氧化，从而提升钙钛矿薄膜在空气环境中的稳定性。图1 （a）9FC的静电势分布图。对照和9FC掺杂钙钛矿薄膜及9FC粉末的XPS谱图：（b）Pb 4f，（c）I 3d，（d）N 1s与（e）O 1s。（f）9FC及9FC+PbI2溶于DMSO-d6的1H NMR谱图。（g）FAI及FAI+9FC溶于DMSO-d6的1H NMR谱图。FAI+IPA与FAI+9FC+IPA溶液：（h）新鲜溶液与老化7天后溶液的光学照片。（i）老化前后溶液的紫外-可见吸收光谱。图源：Small(2026).(Figure 1)3.2 钙钛矿薄膜结晶质量分析
通过SEM和GIWAXS分析发现（图2a-h），9FC掺杂的钙钛矿薄膜形貌更为均匀，晶粒尺寸显著增大，结晶质量得到有效提升且表现出更好的择优晶体取向，这有利于提升电荷传输效率并抑制电荷复合。同时，图2i的TRPL光谱显示，9FC掺杂有效抑制了钙钛矿薄膜中的非辐射复合。图2 （a）对照组与（b）0.5 mg/mL 9FC掺杂钙钛矿薄膜SEM图像。（c）对照组与9FC掺杂钙钛矿薄膜的晶粒尺寸分布统计图。（d）对照组与9FC掺杂钙钛矿薄膜的水接触角图像。（e-f）GIWAXS图谱及（g）对应的GIWAXS强度分布曲线与（h）沿（001）衍射环的极角强度分布曲线。（i）TRPL光谱。图源：Small(2026).(Figure 2)3.3 9FC对钙钛矿薄膜生长的调控
通过原位PL技术研究了9FC对钙钛矿薄膜生长过程的影响。如图3a-c所示，对于9FC掺杂的钙钛矿薄膜，旋涂过程中PL峰强度的下降现象得到显著抑制。这得益于9FC与PbI2之间的强相互作用，稳定了钙钛矿的成核相。同时，整个旋涂过程中，9FC掺杂薄膜始终保持比对照组更高的PL峰强度。此外，退火过程的数据（图3d-f）显示，9FC掺杂薄膜达到最大PL峰强度的时间更久。这表明9FC延缓了钙钛矿的结晶动力学过程，从而有利于形成更高质量的最终钙钛矿薄膜（图3a与b）。图3 两步法钙钛矿薄膜制备过程中的in-situ PL表征。（a）对照与（b）9FC掺杂钙钛矿薄膜在滴加FAI前驱体后的PL图像。（c）旋涂过程中PL峰值强度随时间的变化曲线。钙钛矿薄膜在150°C热台上退火过程的PL图像：（d）对照组与（e）9FC掺杂钙钛矿薄膜。（f）旋涂结束后热退火过程中PL峰值强度随退火时间的变化曲线。图源：Small(2026), e14927.(Figure 3)3.4 器件性能分析
为评估9FC掺杂对器件性能的影响，在空气环境下制备了n-i-p型PSCs。如图4a的J-V曲线所示，9FC掺杂器件的最高光电转换效率（PCE）达到24.83%。最大功率点跟踪结果显示（图4b），在200秒后其稳定输出效率为24.0%。通过莫特-肖特基曲线分析（图4d），9FC器件表现出更低的载流子浓度，这有利于电荷的快速提取与传输。KPFM测量（图4e-f）进一步显示，9FC掺杂薄膜的平均表面电势显著提高，进一步证实了9FC掺杂器件的开路电压提升。空间电荷限制电流法测试（图4g-h）表明，9FC掺杂薄膜的陷阱态密度明显降低。此外，J-V曲线的一阶导数结果表明（图4i），9FC掺杂促进了高效的载流子传输与缺陷钝化。图4 对照组与9FC掺杂PSCs的光伏性能表征。（a）最高PCE对应的J-V曲线。（b）器件在标准光照下持续200秒的稳态电流与功率输出曲线。（c）PCE统计分布图。（d）莫特-肖特基曲线。（e）开尔文探针力显微镜测得的对照组与9FC掺杂钙钛矿薄膜表面电势分布图，以及（f）沿图中红线方向的表面电势分布。（g-h）结构为ITO/SnO2/钙钛矿/PCBM/Ag的单电子器件暗态J-V曲线。（i）-dV/dJ与（JSC–J）-1之间的关系图。图源：Small(2026).(Figure 4)3.5 器件长期稳定性
为评估9FC掺杂对器件稳定性的影响，对未封装器件进行了长期存放测试。在氮气中储存5000小时及在20%-40%湿度下存放2280小时，9FC掺杂器件仍然分别保持初始效率的94%和78%（图5a-b）。稳定性提升归因于9FC改善薄膜质量、抑制碘离子氧化并增强疏水性。进一步将薄膜置于90% RH黑暗环境中进行湿度老化实验（图5c），9FC掺杂后的样品在30天后仍保持黑色，相应XRD图谱（图5d）也证实其结构稳定性更好。石英晶体微天平（QCM）结果显示（图5 e-f），在84% RH环境中，9FC掺杂薄膜的质量变化显著更低。以上结果表明，9FC有效提升了薄膜耐湿性，为在潮湿环境中制备高效PSCs提供了可行途径。图5（a）器件在25°C氮气手套箱中储存；（b）器件在RH=20%-40%储存。（c）对照与9FC掺杂钙钛矿薄膜在相对湿度90%的空气环境中老化后的光学照片；（d）薄膜老化30天后的XRD图谱；（e）QCM测试示意图；（f）对照与9FC掺杂钙钛矿薄膜在不同相对湿度下的相对质量变化率曲线。图源：Small(2026).(Figure 5)4. 总结与展望
本文提出了一种基于9FC分子的抗水氧策略，实现在空气环境中制备高效钙钛矿太阳能电池。该方法可同步抑制水氧对钙钛矿薄膜生长过程的影响，获得高质量薄膜，并有效抑制I-氧化且增强薄膜抗湿性，使得9FC掺杂器件的效率提升至24.83%。该策略为在空气环境下制备高性能钙钛矿太阳能电池提供了有效途径。汤林辉，论文第一作者，南昌航空大学仪器科学与光电工程学院硕士研究生在读，目前从事钙钛矿太阳能电池的研究。元利刚，论文通讯作者，南昌航空大学校聘副教授，光电信息科学与工程专业副主任。光电信息感知技术与仪器江西省重点实验室成员，主要从事高效钙钛矿光伏器件在环境空气制备过程中关键技术的研究。主持江西省自然科学基金青年项目,江西省职业早期青年科技人才培养等等项目,以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文17篇，包括Chem. Rev. (IF=55.8), Adv. Mater. (If=26.8), Energy Environ. Sci. (If=31.0)等国际顶级期刊，累计发表SCI论文60余篇，论文引用超2000次，其中高被引论文2篇，H因子24。刘伟庆，论文通讯作者，南昌航空大学校教授，博士生导师，江西省“双千计划”入选者、江西省主要学科学术带头人、杰出青年基金获得者,兼任广东省通信学会无线通信智慧网络专业委员会理事及江西省光学学会理事。目前主要从事智能传感器相关研究。作为项目负责人,主持国家自然科学基金、科技部“973”计划、国家级新工科教学改革项目、江西省重点项目等国家级及省部级项目20余项。已发表学术论文90余篇,出版著作2部,申请发明专利50余项。严克友，论文通讯作者，教授，海外高层次引进人才，华南理工大学环境与能源学院院长，发光材料与器件国家重点实验室成员，硕/博导。长期从事太阳能转化、储存和利用研究，在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Adv. Energy. Mater等国际学术期刊发表学术论文150余篇，文章被引万余次，多次被学术媒体报道。主持海外高层次人才，广东省创新创业团队及青年拔尖项目等，获得教育部自然科学二等奖等。
