通讯作者：谈利承、陈义旺
通讯单位：南昌大学
通过优化 A 位掺杂可有效降低缺陷密度与微应变，提升组分均匀性。利用先进的面外应变表征技术，揭示了应变均质化的关键机制；
在富 PbI₂表面原位构筑二维钙钛矿层，可有效释放残余应力、促进界面载流子传输，并增强钙钛矿薄膜的力学性能；
- 刚性器件实现了26.59%的最佳光电转换效率，柔性器件效率达25.88%（认证效率 25.55%）。大面积柔性模组同样取得优异性能：25 cm² 模组效率21.77%，100 cm² 模组效率19.23%；
- 未封装的柔性器件在连续工作追踪 2000 小时后（ISOS-L‑1），仍可保持97.8%的初始效率，并在湿热、冷热循环及力学测试中表现出卓越的耐久性。
卤化铅钙钛矿（APbX₃）凭借其优异的光电性能，包括高吸收系数、长载流子寿命以及优异的缺陷容忍度，已成为光伏领域中具有变革性的关键材料。轻质化结构、机械柔性以及低温溶液可加工性，使钙钛矿光吸收层特别适用于柔性钙钛矿太阳能电池（PVSCs），可应用于便携式电源、可穿戴电子设备、光伏建筑一体化及空间技术等领域。这些优势有效弥补了传统刚性晶体硅太阳能电池固有的诸多局限。然而，柔性钙钛矿太阳能电池的商业化进程仍受限于长期稳定性与机械耐久性方面的挑战，这些问题主要源于柔软钙钛矿骨架中的晶格应变，以及晶界与薄膜表面的残余应力。其中危害尤为显著的是面外应变—— 即垂直于基底方向的形变，它由热膨胀失配引起，并在弯曲状态下进一步集中，诱发缺陷生成与机械失效。因此，实现这类应变的均匀化分布，对构筑高性能柔性器件至关重要。
有机 - 无机杂化钙钛矿的晶体结构由共顶点的 [PbX₆]⁴⁻八面体构成三维（3D）立方骨架，其中 A 位阳离子掺杂（如甲脒离子 FA⁺、甲胺离子 MA⁺）对调控晶格稳定性与光电性能起着关键作用。尽管 FA/MA 共掺杂等混合阳离子策略已被广泛用于提升相稳定性与电池效率，但阳离子间的尺寸差异往往会引发晶格畸变与微应变，导致结构无序化与缺陷密度升高。这些微观结构问题不仅会削弱器件机械稳定性，还会在光照、热循环等运行条件下加速器件衰减。近年来，A 位阳离子工程与界面工程在缓解晶格应变、提升器件性能方面展现出良好潜力。例如，Kim 等人引入大尺寸的亚甲基二铵（MDA²⁺）阳离子以释放 α-FAPbI₃晶格内的应变，从而同时提升效率与稳定性。尽管如此，关于 A 位阳离子选型对微应变分布，尤其是面外应变均匀性影响的系统性研究仍然不足。此外，不完全结晶通常会导致晶界与表面残留碘化铅（PbI₂），进一步加剧残余应力并阻碍电荷传输。具有精细结构设计的二维钙钛矿已被证实可在不牺牲效率的前提下有效优化界面载流子动力学，其本征机械稳定性还能进一步保护体相钙钛矿免受环境侵蚀与机械应力破坏。因此，设计可原位钝化 PbI₂、同时兼具高载流子迁移率与机械韧性的二维界面包覆层，对推动柔性钙钛矿太阳能电池的发展至关重要。
鉴于此，2026年4月10日，南昌大学陈义旺&谈利承团队于Science Advances刊发均匀化面外应变分布实现高性能柔性钙钛矿光伏器件的最新研究成果，该成果系统研究了A 位阳离子掺杂在调控晶格微应变分布中的作用（图 1A）。通过优化阳离子组分，作者有效抑制了因阳离子合金化带来的缺陷密度与微应变，实现了均匀的面外应变分布。利用截面峰值力定量纳米力学图谱（PF‑QNM）技术，作者实现了钙钛矿层内杨氏模量梯度的直接可视化与定量表征，进而阐明了应变均质化的调控路径。为解决残余 PbI₂带来的不利影响，作者引入了一种二铵盐间隔基团，使其与 PbI₂发生原位反应，形成垂直取向的二维钙钛矿中间层。这种界面工程策略可同时释放残余应力、促进界面载流子传输，并提升钙钛矿薄膜的机械韧性。基于上述策略，刚性与柔性钙钛矿太阳能电池分别实现了 26.59%与25.88% 的冠军光电转换效率（柔性器件经认证为 25.55%）；未封装器件在最大功率点（MPP）持续追踪运行 2000 小时后（ISOS‑L‑1 标准），仍可保持 97.8% 的初始效率。封装器件同样展现出优异的长期稳定性：在湿热测试（85℃/85% 相对湿度，ISOS‑D‑3 标准）1000 小时后效率保持近 90%；在−40℃至 85℃的热循环测试 500 小时后仍保留 92.1% 的初始效率。值得注意的是，均匀的应变分布与稳固的界面结构赋予了器件卓越的机械耐受性，在经过11000 次弯曲循环后仍能保持 90% 以上的初始效率。该研究阐明了应变工程与界面应力释放的基本原理，为柔性钙钛矿光伏的商业化发展提供了重要理论与技术支撑。
基于已建立的阳离子工程策略，作者系统研究了三种具有不同空间位阻和电子特性的 A 位阳离子。这些阳离子的离子半径均明显大于传统的 FA+ 和 MA+，通过空间效应和静电调节增强了晶格相互作用。组分筛选显示所有阳离子的最佳掺杂浓度为 3 mol%，其中加入 MDA2+的器件表现出优异的结晶度、光电性能和光伏表现。 作者使用 PF-QNM 系统研究了不同 A 位阳离子混合钙钛矿薄膜的机械性能。为了以高空间分辨率探测局部机械性能，作者采用了横截面 PF-QNM（图 1, B 至 E）。为了阐明 MDA 诱导的应变均一化，作者进行了横截面高角环形暗场扫描透射电子显微镜（TEM）分析。对照样品的 (100) 面间距在表面、体相和底部之间存在显著差异，而 MDA 掺杂薄膜在所有区域均表现出均一的间距（3.30 Å）。这凸显了 MDA 掺杂在补偿由 FA+ 和 MA+ 尺寸差异引起的晶格应变方面的关键作用。热导纳谱和空间电荷限制电流测量表明，MDA 掺杂显著降低了浅能级和深能级缺陷密度（图1H）。DFT 计算进一步证实，MDA 掺杂大幅提高了各类缺陷（特别是 Pb 空位 VPb和 FA 空位 VFA）的形成能（图1G）。
图1. 混合阳离子钙钛矿薄膜中的应变工程与缺陷抑制
(A) 通过 A 位阳离子合金化及顶部二维钙钛矿层包覆实现应变均质化机制的示意图。(B–E) 钙钛矿器件的纳米力学分布图：（上）原子力显微镜（AFM）形貌图，（中）峰值力定量纳米力学图谱（PF-QNM）模量图像，（下）对比对照组与不同 A 位混合阳离子钙钛矿薄膜的杨氏模量差异曲线。(F、G) 原子尺度应变分析：（上）ITO/SnO₂/ 钙钛矿 / Spiro-OMeTAD/Ag/Pt 叠层结构的高角环形暗场扫描透射电镜截面图，（中）原子分辨率透射电镜图像（标尺 7.8 nm）及实测晶面间距，（下）用于量化晶格畸变的对应强度线扫曲线。(H) 基于对照组与不同阳离子掺杂钙钛矿薄膜的器件，由热导纳光谱拟合得到的缺陷态密度（tDOS）曲线，其中 Eω 为对应频率响应的特征能量。(I) 不同阳离子掺杂钙钛矿中各类缺陷的形成能计算，重点关注负电缺陷，包括碘 - 铅反位缺陷（I_Pb）、甲脒空位（V_FA）、铅空位（V_Pb）、碘 - 甲脒反位缺陷（I_FA）及碘间隙缺陷（I_i）。
为了在 3D 钙钛矿薄膜表面构建原位应力释放层，作者引入了三种二胺间隔阳离子，其中EDOEA表现出最佳性能。SEM显示（图2A），EDOEA 与 PbI2 反应形成了一种交叉织构的 DJ 型 2D 钙钛矿覆盖层。这种独特的“补丁状”形貌有效地修复了晶界缺陷，提高了薄膜的机械韧性。 TEM 证实了 2D 钙钛矿层在 3D 表面上的垂直取向生长，且两者晶格匹配良好（图2B）。掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）显示 PbI2 的特征峰几乎完全消失，验证了 2D 层的成功构建（图2C）。PF-QNM 测量显示，2D/混合 3D 钙钛矿的表面局域杨氏模量进一步降低（1.34 GPa），反映了机械韧性的增强和界面应力的均一化（图2D）。深度相关掠入射 X 射线衍射（GIXRD）分析表明近表面应变场趋于均一，从残余拉应变转变为均一的压应变状态。这种工程化的压应变状态增强了晶格稳定性，抑制了缺陷形成（图2E）。截面 KPFM 接触电势差（CPD）分析（图 2H）显示，二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的电势分布更平滑（ΔE = 48 mV），说明电荷传输路径得到优化、势垒降低。瞬态吸收（TA）光谱（图 2I）显示，二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的衰减动力学过程显著延长，进一步证实非辐射损失得到抑制、电荷分离效率提升。综合以上全面表征结果，系统证明了二维 / 混合三维钙钛矿薄膜在载流子传输、表面电学性质及光电性能方面的优势。原位构筑的二维包覆层通过高效表面钝化、电荷分布优化与非辐射复合抑制，显著提升了薄膜质量与器件稳定性，为高性能柔性钙钛矿太阳能电池的发展提供了重要的理论与技术支撑。
图2. 应力缓释型二维钙钛矿层的制备与表征
(A) 二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的俯视及截面扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了薄膜形貌与层状结构。(B) 空穴传输层界面附近的截面高分辨透射电子显微镜（TEM）图像，插图放大区域突出显示了 Dion-Jacobson 相二维钙钛矿的垂直取向。(C) 混合三维钙钛矿与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）图谱，体现了顶部二维层带来的晶体结构差异。(D)、(E) 采用峰值力定量纳米力学图谱（PF-QNM）模量表征的混合三维与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的表面力学性能及分布。(F)、(G) 不同入射角下获得的随深度变化的掠入射 X 射线衍射（GIXRD）图谱（F），以及混合三维与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的 2θ–sin²ψ 线性拟合曲线（G），揭示了薄膜沿深度方向的结构变化。(H) 基于混合三维与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的器件的开尔文探针力显微镜（KPFM）测试，表征了各层间的电势分布。(I) 沉积在石英基底上的混合三维与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的飞秒瞬态吸收（fs-TA）伪彩色光谱，捕获了载流子动力学过程。
为验证面外应变分布优化与应力缓释层引入对柔性钙钛矿太阳能电池（PVSCs）性能的提升作用，作者制备了相应器件并系统表征了其光电性能。2D / 混合 3D 结构器件实现了 26.59%（刚性）/25.88%（柔性） 的冠军光电转换效率（PCE），显著优于混合 3D 器件（25.20%/24.06%）与对照组器件（23.34%/22.28%）。此外，基于 2D / 混合 3D 结构的大面积柔性钙钛矿太阳能模组（PVSM），在 5 cm×5 cm 与 10 cm×10 cm 尺寸下分别实现了21.77%与19.23%的光电转换效率（图 3B），证明了该策略具备良好的规模化应用潜力。最优柔性电池与模组效率均处于目前已报道的最高水平之列（图 3C）。长期稳定性测试表明，基于 2D / 混合 3D 钙钛矿的未封装柔性器件在最大功率点（MPP）持续追踪运行 2000 小时后（ISOS-L-1 标准），仍保持 97.8%的初始效率，显著优于混合 3D 器件（87.0%）与对照组（50.4%）（图 3D）。这体现了优异的效率保持能力，在已报道工作中处于最高稳定性水平。在 85℃/85% RH 湿热加速老化条件下（ISOS-D-3），封装后的 2D / 混合 3D 器件在 1000 小时后仍保持 89.9% 的效率，而对照组仅为 50.5%（图 3E）。此外，在−40℃至 85℃的热循环测试中，2D / 混合 3D 器件在 500 次循环后效率保持率为 92.1%，远高于对照组的 62.4%（图 3F），凸显了应变均质化策略带来的卓越环境稳定性。
图3. 柔性钙钛矿太阳能电池的光伏性能与稳定性
(A) 基于对照组、混合三维钙钛矿薄膜及二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的最优柔性钙钛矿太阳能电池的电流 - 电压（J-V）曲线。(B) 基于二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的大面积（5 cm×5 cm 及 10 cm×10 cm）柔性钙钛矿太阳能模组的 J-V 曲线。(C) 近期已报道柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）与填充因子（FF）数据统计图。(D) 按照 ISOS-L-1 标准，在最大功率点持续追踪条件下，未封装柔性钙钛矿太阳能电池的归一化光电转换效率衰减曲线，及近期相关文献结果汇总。(E) 按照 ISOS-D-3 标准，在湿热环境（85℃、85% 相对湿度）下，封装柔性钙钛矿太阳能电池的归一化光电转换效率变化曲线。(F) 在 −40℃ 至 85℃ 冷热循环测试中，封装柔性钙钛矿太阳能电池的归一化光电转换效率变化曲线。
力学稳定性是柔性钙钛矿太阳能电池（PVSCs）走向实际应用的关键性能指标。作者通过循环弯曲测试，系统评估了不同器件结构的机械耐久性。弯曲后的扫描电镜（SEM）结果显示，混合 3D 器件在 5000 次弯曲后出现明显的裂纹与层间剥离，而 2D / 混合 3D 器件仍保持结构完整（图 4A、4B）。这一鲜明对比印证了二维层凭借其交织结构吸收机械应力、增强界面结合力，从而抑制机械失效的关键作用。混合 3D 器件的失效主要源于晶界与薄弱界面处的局域应变累积，这些区域在循环拉应力作用下易成为裂纹萌生与扩展的优先通道，其较低的界面断裂能也定量印证了这一点。与之相反，2D / 混合 3D 结构从根源上解决了上述失效路径：柔性二维包覆层均质化了近表面应变场并强化了界面结合，可有效阻止裂纹扩展。半原位 X 射线衍射（XRD）分析（图 4C、4D）进一步证实了 2D / 混合 3D 薄膜优异的机械稳定性，即使经过 5000 次弯曲，仍未检测到 PbI₂分解或基底暴露的特征峰，这与混合 3D 薄膜出现的显著降解形成鲜明对比。在 4 mm 弯曲半径下进一步延长至 11000 次循环的测试（图 4E）更验证了其卓越的机械柔性：2D / 混合 3D 器件仍保持 90% 的初始效率，而对照组与混合 3D 器件效率则快速衰减至 12.7% 与 60.5%。值得注意的是，该工作实现的弯曲耐久性已超越目前已报道的绝大多数成果，充分证实了本研究应变均质化策略的有效性。有限元分析为上述力学行为提供了更深层次的机理认知。综上所述，二维应力缓释层的引入通过双重机制显著提升了机械耐久性：（1）均质化应变分布，避免局部应力累积；（2）增强界面结合力，抑制裂纹萌生与层间剥离。本研究揭示了应变工程与界面设计在提升柔性钙钛矿光伏机械稳定性方面的核心作用，为下一代可穿戴、可卷曲太阳能技术的实现提供了重要的机理支撑与实用化设计指导。
图4. 柔性钙钛矿太阳能电池的力学稳定性
(A)、(B) 在弯曲半径 4 mm、弯曲 5000 次前后，混合三维钙钛矿薄膜与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的俯视及截面扫描电镜（SEM）图像。(C)、(D) 在弯曲半径 4 mm、不同弯曲次数下，混合三维钙钛矿薄膜与二维 / 混合三维钙钛矿薄膜的半原位 XRD 图谱。(E) 弯曲半径为 4 mm 时，柔性钙钛矿太阳能电池的归一化光电转换效率（PCE）随弯曲次数的变化曲线，以及近年来不同弯曲半径下柔性钙钛矿太阳能电池弯曲稳定性的研究结果汇总。
该工作系统研究了A 位混合阳离子掺杂对晶格应变的调控作用，并发展了一种界面工程策略，协同提升柔性钙钛矿太阳能电池（PVSCs）的机械稳定性与光电性能。通过合理的阳离子合金化，显著降低了缺陷密度，缓解了由组分不均引发的微应变，从而在钙钛矿薄膜中实现了均匀的应变分布。该工作结果凸显了应变工程与界面应力缓释策略在提升柔性钙钛矿光伏性能与稳定性方面的关键作用。作者提出的组分优化与界面设计双管齐下的方法，提供了重要的机理认知，并为实现高效、高机械稳定性的柔性钙钛矿光伏器件奠定了坚实基础，为其在便携式电子、可穿戴系统及更多领域的广泛应用铺平了道路。
引用原文：
Yang Zhong et al. ,Homogenizing out-of-plane strain distribution for high-performance flexible perovskite photovoltaics. Sci. Adv. 12,eaec3238(2026). DOI:10.1126/sciadv.aec3238
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec3238#
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