论文总览
针对钙钛矿太阳能电池在两步法工艺中Cs⁺离子掺杂难、分布不均导致的相不稳定问题，南昌大学陈义旺、谈利承团队创新性地设计了一种名为“二苯基膦苯甲酸铯（DPPBCs）”的有机铯盐。该策略不仅实现了Cs⁺在钙钛矿晶格中的高效、均匀掺杂，还通过“锁定”无机骨架和限制有机阳离子旋转，显著提升了材料的相变能垒。该策略制备的钙钛矿太阳能电池获得 26.91% 的冠军光电转换效率（认证效率 26.61%），在 85℃、1-sun 光照的 ISOS-L-2 协议下连续工作 1500 小时后，仍保留 95% 的初始效率。研究还揭示了 FA₀.₉Cs₀.₁PbI₃的相转变路径及 Cs⁺驱动的晶格稳定机制，为高性能、长寿命 FA–Cs 钙钛矿电池设计提供了全新科学指导相关成果以Controlled Cs⁺ incorporation through organocaesium salts in α-FA–Cs perovskite solar cells with a certified efficiency of 26.61%为题发表在Nature Energy期刊上。
核心技术亮点
1. 新型有机铯盐设计：首创DPPBCs有机铯盐，通过磷原子与PbI₂的强相互作用抑制δ-CsPbI₃相生成，实现Cs⁺在钙钛矿A位的高效、均匀掺杂，解决两步法中Cs⁺掺入的技术瓶颈。
2. 晶格稳定机制阐明：通过DFT计算与分子动力学模拟，揭示Cs⁺通过“锁定”[PbI₆]⁴⁻八面体振动、限制FA⁺旋转，提升相转变能垒，增强钙钛矿晶格热力学与动力学稳定性。
3. 结晶过程精准调控：DPPBCs降低钙钛矿形成的反应焓，调控晶体垂直取向生长，减少薄膜缺陷，实现载流子传输效率与复合抑制的双重提升。
4. 器件稳定性大幅提升：基于该策略的器件实现了26.91%的世界级效率，同时在85℃高温、连续光照下稳定运行1500小时后，仍能保持初始效率的95%，1 cm² 大面积器件实现25.23%的高效转换，具备商业化潜力。
图文分析
理论计算揭示“锁”定稳定的微观机制
该图揭示了本项研究的核心科学发现—铯离子（Cs⁺）稳定钙钛矿晶格的微观机制。理论研究对比了纯甲脒钙钛矿（FAPbI₃）和掺铯钙钛矿（FA₀.₉Cs₀.₁PbI₃）的相变过程。结果显示，掺杂Cs⁺后，钙钛矿从光活性的α相向非光活性的δ相转变的能垒从0.645 eV升高至0.755 eV，这意味着相变更难发生。分子动力学模拟进一步显示，在纯FAPbI₃中，FA⁺阳离子在晶格空隙中可以近乎自由地三维旋转，而Cs⁺的引入显著限制了FA⁺的旋转，使其运动被“锚定”在特定方向上。同时，Cs⁺还减少了[PbI₆]⁴⁻八面体中Pb-I-Pb键角的振荡幅度。这种对八面体振动和阳离子旋转动力学的“双重锁定”效应，从根本上增强了晶格刚性，抑制了导致性能衰退的相变，为器件的高稳定性奠定了理论基础。
DPPBCs实现高效、均匀的Cs⁺掺杂
该图阐释了DPPBCs实现Cs⁺高效、均匀掺杂的核心机制。传统CsI掺杂易生成δ-CsPbI₃相，导致阳离子分布不均，而DPPBCs中的磷原子与 PbI₂形成强相互作用，NMR与XPS表征证实了二者复合物的形成，XRD 测试中未检测到 δ-CsPbI₃相，反而出现新的 (PbI₂)ₓ(DPPBCs)ᵧ晶相。DFT显示，DPPBCs参与的钙钛矿形成反应焓低至- 1.46 eV，大幅降低结晶能垒，促进晶体生长。ToF-SIMS与HAADF-STEM表征进一步证明，DPPBCs处理后FA⁺与 Cs⁺在钙钛矿薄膜中呈均匀分布，晶格面间距在表面、体相、底部无明显变化，有效释放晶格应力，同时抑制未反应 PbI₂残留与针孔缺陷，实现了Cs⁺的精准掺杂与薄膜质量的全面提升。
光照条件下钙钛矿薄膜的稳定性
通过光照老化实验，直观展现了DPPBCs处理对钙钛矿薄膜稳定性的提升效果，核心在于解决了离子分布不均导致的相分离问题。对照组薄膜经48小时光照后，PL强度急剧下降，发生明显的α→δ相转变；传统CsI掺杂的PVK-CsI薄膜不仅PL强度降低，还出现PL峰分裂，表明薄膜内部发生严重相分离。而DPPBCs处理的PVK-DPPBCs薄膜，光照后PLmapping与PL光谱无明显变化，无相转变与相分离迹象。DFT计算证实，DPPBCs的配位作用使Cs⁺与I⁻迁移能垒显著提升，有效抑制离子迁移；TRPL 测试显示其载流子寿命达 818.67 ns，远高于对照组的179.20 ns，表明DPPBCs 兼具缺陷钝化效果，大幅减少非辐射复合，让钙钛矿薄膜在持续光照下保持结构与光电性能的稳定。
器件光电性能与长期稳定性
该图全面展示了 DPPBCs 改性后钙钛矿太阳能电池的光电性能与长期稳定性，实现了效率与稳定性的双重突破。J-V 曲线显示，PVK-DPPBCs 器件反向扫描效率达 26.91%（认证 26.61%），Voc 达 1.18 V、FF 达 86.11%，均为两步法 FA–Cs 钙钛矿电池的高水平，1 cm² 大面积器件效率也达 25.23%，具备规模化制备潜力。器件的电致发光效率达 14.32%，电压损失仅 50 mV，陷阱态密度大幅降低，证明非辐射复合被有效抑制。最关键的是，采用热稳定 PTAA 空穴传输层的封装器件，在 85℃、1-sun 光照的 ISOS-L-2 严苛条件下连续工作 1500 小时，仍保留 95% 的初始效率（23.76%），远优于对照组与 CsI 掺杂器件。这一结果表明，DPPBCs 实现的均匀掺杂与晶格稳定，从根本上解决了 FA–Cs 钙钛矿电池的稳定性难题，为其商业化应用奠定了坚实基础。
文献来源
He, J., Guo, Z., Liu, K. et al. Controlled Cs⁺ incorporation through organocaesium salts in α-FA–Cs perovskite solar cells with a certified efficiency of 26.61%. Nat Energy (2026).
https://doi.org/10.1038/s41560-026-02016-7
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
