通过在PbI₂前驱体中引入2-苯氧基乙脒盐酸盐（PhOAaCl），显著降低了PbI₂的表面能（从0.572 eV/nm²降至0.131 eV/nm²），成功制备了具有完全(001)择优取向的高结晶性多孔PbI₂模板。
DFT计算与实验共同揭示，(001)晶面与FAI反应的热力学驱动力最强（ΔG = -5.444 eV），焓变绝对值最小，且界面晶格匹配度最高，引导钙钛矿沿(100)晶面外延生长，消除了残余PbI₂和δ相。
基于该策略的n-i-p结构钙钛矿太阳能电池获得26.47%的冠军效率，并表现出卓越的稳定性：未封装器件在85°C/85% RH双85条件下1000小时后保持94%效率，在空气中连续MPP追踪2500小时后仍保持91%初始效率。
首次从热力学和动力学角度系统阐明了PbI₂不同晶面与FAI反应的能量差异及相转变路径，为两步法中的晶面工程提供了理论指导。
一、本研究针对的问题与挑战
两步法沉积是制备高质量钙钛矿薄膜的重要方法，其中PbI₂模板的晶面取向和孔隙结构直接影响后续有机胺盐的扩散和相转变效率。然而，传统PbI₂薄膜通常呈现多晶、致密且晶面杂乱的特征，导致反应不完全、残余PbI₂和δ相杂质，以及钙钛矿晶粒取向随机，严重制约器件效率和稳定性。二、成果简介
本文南昌大学谈利承和陈义旺等人通过在PbI₂前驱体中引入2-苯氧基乙脒盐酸盐（PhOAaCl），利用其与PbI₂的强相互作用，显著降低了PbI₂的表面能，诱导其沿(001)面高度择优生长，并形成了疏松多孔的形貌。DFT计算表明，PbI₂的(001)面与FAI反应生成α相钙钛矿的吉布斯自由能变化（ΔG = -5.444 eV）远大于其他晶面，热力学驱动力最强；同时焓变绝对值最小，反应更易进行。该(001)面模板与最终钙钛矿的(100)面具有高度晶格匹配，引导钙钛矿外延生长，实现了纯α相、高(100)择优取向、无残余PbI₂的致密薄膜。因此，器件效率达26.47%，且未封装器件在空气中MPP追踪2500小时后仍保持91%初始效率，在85°C/85% RH老化1000小时后保持94%效率，展现了优异的运行稳定性和湿热稳定性。三、结果与讨论
要点 1 PhOAaCl对PbI₂表面能、晶面取向和形貌的调控
对比三种添加剂（MeOAaCl、PhAaCl、PhOAaCl），PhOAaCl因其苯氧基与PbI₂的强相互作用，将PbI₂表面能降至0.131 eV/nm²（对照0.572 eV/nm²），接触角从58.32°降至53.16°。XRD显示PhOAaCl处理后的PbI₂薄膜仅出现(001)衍射峰，无(100)和(110)峰，半高宽变窄，表明高度(001)择优取向。HRTEM和FFT证实(001)面暴露且结晶度高。GIWAXS显示对照PbI₂存在(100)、(110)等多晶环，而PhOAaCl处理样品仅见尖锐的(001)环，且方位角积分表明垂直取向增强。SEM和AFM显示PhOAaCl处理后的PbI₂呈扁平片状多孔结构，表面粗糙度增加，有利于阳离子渗透。动态接触角测量表明，FAI溶液在PbI₂-PhOAaCl薄膜上1000 ms内完全铺展，证实了优异的润湿性。GIXRD变角测试显示，对照PbI₂的(001)峰随入射角增加向低角度偏移（晶格不均匀和拉伸应变），而PhOAaCl处理后晶格常数稳定在约7.00 Å，与钙钛矿晶格匹配。要点 2 DFT揭示(001)晶面的热力学优势与反应路径
DFT模拟了FAI与PbI₂不同晶面（(001)、(100)、(110)）的反应过程。PbI₂的(001)面具有最低表面能，与FAI反应生成α相钙钛矿的ΔG为-5.444 eV，远高于其他晶面（热力学驱动力最强）。同时，该反应的ΔH绝对值最小，表明反应能量变化小，更易在低温下达到平衡。晶格匹配分析显示，PbI₂的(001)面与钙钛矿的(100)面具有高度共格关系，FIB-TEM直接观察到界面处良好的晶格匹配。因此，(001)面模板引导钙钛矿沿(100)面外延生长，消除了残余PbI₂和δ相。对照样品GIWAXS中仍可见PbI₂衍射环，且钙钛矿(100)环呈各向异性（取向随机）；目标样品无PbI₂信号，钙钛矿(100)环锐利且各向同性（高度择优取向）。半原位XRD显示，对照薄膜在退火过程中δ相和PbI₂持续存在，而目标薄膜迅速完全转化为α相。要点 3 钙钛矿薄膜质量与缺陷抑制
SEM显示对照薄膜存在残余PbI₂和针孔，目标薄膜致密、晶粒大、无残留。底部界面SEM显示对照薄膜存在大量空洞和无序生长，目标薄膜致密均匀。EDS元素分布显示Pb、I、N均匀分布，证明反应完全。CLSM PL面扫描显示目标薄膜发光强度远高于对照且均匀。KPFM表面电势显示目标薄膜电势更高（159 mV vs 61 mV）、分布更均匀，表明缺陷减少。TRPL平均载流子寿命从对照的约0.5 μs延长至约0.9 μs。GIXRD应变分析显示对照薄膜存在拉伸应变（峰位随ψ角偏移），目标薄膜应变显著释放。要点 4 器件光伏性能
器件结构：ITO/SnO₂/钙钛矿（两步法，FAₓMA₁₋ₓPbI₃）/Spiro-OMeTAD/Au。目标冠军器件PCE 26.47%，Voc 1.185 V，Jsc 26.47 mA/cm²，FF 84.39%；对照器件PCE约23.7%左右。EQE积分Jsc为25.56 mA/cm²，与J-V匹配。稳态输出26.37%。Mott-Schottky显示目标器件内建电势从0.89 V升至1.12 V。光强依赖Voc斜率从1.64 kT/q降至1.34 kT/q，表明陷阱辅助复合被抑制。TPV显示目标器件光电压衰减更慢，暗态J-V漏电流更低，EIS复合电阻更大。SCLC显示目标器件的空穴陷阱密度降低，电子/空穴迁移率提升。要点 5 稳定性研究
85°C热老化1000小时后，ToF-SIMS显示对照器件中Pb⁺和I⁻明显扩散至HTL，Ag⁺迁移至钙钛矿层；目标器件离子迁移可忽略。双85（85°C/85% RH）老化1000小时后，对照薄膜几乎完全分解（PL强度趋近于零），目标薄膜仅轻微降解。UV照射（365 nm）下，对照薄膜逐渐转变为δ相，目标薄膜衍射峰几乎不变。ISOS-D-3（85°C, 65% RH）1000小时后，目标器件保留94%初始效率，对照仅60%。在空气中连续MPP追踪（1个太阳，未封装）下，目标器件2500小时后仍保持91%初始效率，对照1000小时后仅剩55%。该稳定性在两步法n-i-p器件中属于最高水平之一。四、小结
本文通过在两步法的第一步PbI₂前驱体中引入PhOAaCl添加剂，成功制备了具有(001)高度择优取向、低表面能、多孔结构的PbI₂模板。DFT计算和实验共同证明，(001)面与FAI反应的热力学驱动力最强、晶格匹配度最高，引导钙钛矿沿(100)面外延生长，实现了纯α相、无残余PbI₂、高结晶质量的薄膜。基于该策略的n-i-p结构器件效率达26.47%，并展现出卓越的长期稳定性（2500小时MPP追踪保持91%）。这项工作从热力学和动力学角度系统揭示了两步法中PbI₂晶面工程对钙钛矿结晶的调控机制，为高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备提供了新思路。五、参考文献
Liu, K., He, J., Guo, Z. et al. Modulation of crystal plane growth for efficient and stable perovskite solar cells. Angew. Chem. Int. Ed. (2026).
https://doi.org/10.1002/anie.202670126
学术交流QQ群
知光谷光伏器件学术QQ群：641345719
钙钛矿产教融合交流@知光谷（微信群）：需添加编辑微信
为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信pvalley2024，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
