南昌大学何家成、郭钊等人的最新 Nature Energy:有机铯盐实现 α-FA-Cs 钙钛矿中受控 Cs+ 掺入,认证效率达 26.61%

  本文针对两步法 FA1-xCsxPbI₃钙钛矿中“Cs⁺难掺入、阳离子分布不均、δ-CsPbI₃易析出”的核心痛点，设计有机铯盐DPPBCs（caesium 4-(diphenylphosphino)benzoate）。DPPBCs 借助膦配位基与PbI₂ 的强相互作用，同时实现抑制δ-CsPbI₃、促进 Cs⁺ 有效掺杂和均匀分布、并降低缺陷密度。最终器件实现 26.91% 冠军效率和26.61% 认证效率；采用热稳定PTAA 后，在85 °C、1-sun、MPP 跟踪1500 h 后仍保持初始效率的95%。

一、研究背景与核心挑战

• 两步法更适合制造放大，因为成核和晶体生长被解耦，薄膜均匀性与重现性更好；但α-FAPbI₃ 在室温下易转为失活的δ 相，稳定性仍是商业化的关键障碍。

• 对两步法 FACs 体系而言，直接把CsI 掺入PbI₂ 前驱体会受到 CsX 溶解度低与δ-CsPbI₃先期生成的双重限制，结果是 Cs⁺实际掺入不足、组分不均并诱发相分离。

• 作者通过 DFT 进一步说明：Cs⁺ 掺杂把α→δ 相变能垒从0.645 eV 提升到0.755 eV，同时抑制[PbI6]⁴⁻八面体摆动并约束 FA⁺重排，FA⁺旋转自相关时间由 2.3 ps 延长到5.2 ps。

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二、解决方案：DPPBCs 促进受控 Cs+ 掺杂与均匀分布

• DPPBCs 为caesium 4-(diphenylphosphino)benzoate。其设计关键在于用含P Lewis 碱位点与未配位Pb 原子相互作用，在PbI₂ 阶段打断δ-CsPbI3 的形成路径，再把Cs⁺更温和、更均匀地带入钙钛矿晶格。

• 与直接 CsI 掺杂相比，DPPBCs 体系获得更低的成膜反应焓（-1.46 eV per unit），并消除了δ-CsPbI₃和残余 PbI₂问题；ToF-SIMS 和HAADF-STEM 进一步证明FA⁺/Cs⁺沿厚度方向分布更均匀，d(200) 从表面到底部几乎保持一致。

三、研究亮点

• 从热力学与动力学两端解释 Cs⁺ 稳相机制Cs⁺ 缩小并稳定 [PbI6]⁴⁻框架，减少 Pb-I-Pb 键角剧烈摆动，并强化FA⁺与无机骨架之间的氢键耦合，因此相变势垒额外抬高 0.110 eV。

• 把“有效掺杂”和“均匀分布”同时做到位DPPBCs 不是简单的铯源，而是把掺杂、成核调控和缺陷钝化整合在同一个有机铯盐分子里，实现从表面到底部更一致的A 位阳离子分布。

• 显著提升器件本征电学品质PVK-DPPBCs 器件获得26.91% 冠军效率、26.61% 认证效率和约26.51% 稳态效率；EL EQE 提高到14.32%，非辐射电压损失降低到50 mV。

• 在苛刻工况下保持长期稳定48 h 光浸泡后control 出现相转变、PVK-CsI 出现相分离，而PVK-DPPBCs 基本无明显变化；Cs⁺ 迁移势垒也由 0.694 eV 提升到1.330 eV。

四、数据总结

• 器件效率数据

 PVK-DPPBCs 器件反扫/正扫 PCE 分别达到26.91% 和26.36%，明显高于对照组的24.86% / 24.16% 和 PVK-CsI 组的25.56% / 24.98%。

最优器件的VOC 为1.180 V，JSC 为26.48 mA cm^-2，FF 为86.11%；认证效率为26.61%，稳态输出效率约26.51%。

放大到 1.00 cm² 后，器件仍取得 25.23% 的冠军效率，说明这一分子策略具备向大面积制备迁移的潜力。

• 稳定性数据

采用PTAA 作为更耐热的空穴传输层后，封装器件在85 °C、1-sun、最大功率点跟踪1,500 h 后仍保持95% 初始效率，而对照组和PVK-CsI 组分别仅保持约66% 和 81%。

总结：这篇文献不仅把两步法 FA-Cs 钙钛矿器件效率推升到26.91%（认证 26.61%），更通过DPPBCs 建立了“受控掺杂+ 均匀分布+ 缺陷钝化+ 稳相增强”的一体化路径，为高效率、可制造、长寿命的FA-Cs 钙钛矿太阳能电池提供了新的分子设计范式。

DOI: 10.1038/s41560-026-02016-7

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