暨南大学/上海交大，Nature Energy！

研究背景

柔性钙钛矿太阳能电池（F-PSCs）凭借其轻质、柔韧和耐冲击性，在可穿戴电子和航空航天等领域展现出巨大潜力。然而，目前柔性器件在效率和稳定性上仍落后于刚性器件。

关键问题

目前，F-PSCs的应用主要存在以下问题：

1、效率与机械稳健性的折衷瓶颈

传统的效率增强策略（如增大晶粒或碘化铅钝化）虽然改善了光电性能，但往往会降低材料的断裂能，导致薄膜在弯曲状态下极易产生微裂纹或剥离。

2、大面积模块的性能衰减与不均匀性

在扩大器件面积时，非辐射复合和界面缺陷会导致显著的效率损失，且由于应力分布不均，难以在大面积柔性模块上实现高性能与高机械稳定性的统一。

新思路

有鉴于此，暨南大学麦耀华、吴绍航、范建东和上海交通大学韩礼元等人设计了β-环糊精（β-CD）衍生物，它们可形成原位自组装非晶晶界，通过配位键、氢键和主客体相互作用增强光电特性和机械柔韧性。实现了效率达24.52%的柔性太阳能电池，并显著增强了耐用性：弯曲10,000次后保持92.5%的效率，环境空气中300天后保持95%，最大功率点跟踪 650 小时后保持 80%。作者展示了认证效率分别为21.09%（孔径面积：21.07 cm²）和 17.38%（孔径面积：0.5 m²，86.9 W）的组件。更大面积的组件（孔径面积：1.4725 m²）可提供 226 W 的输出功率和558 Wkg⁻¹的功率重量比。该工作解决了柔性钙钛矿光伏中的关键障碍。

技术方案：

1、提出了非晶晶界钝化策略

XGBoost算法筛选出β-环糊精衍生物C作为钙钛矿钝化剂，其在晶界处形成非晶层，通过多齿螯合和强氢键作用，在10000次弯曲后仍保持薄膜形貌完整。

2、解析了钙钛矿结晶动力学

β-CD引入延缓钙钛矿成核生长，通过主客体相互作用提高成核能垒，生成高质量低缺陷晶体，使载流子寿命延长，薄膜疏水性和稳定性增强。

3、评估了电池效率与稳定性

该工程策略使柔性钙钛矿电池效率达24.52%，稳定性显著提升，650小时光热稳定性好，10000次机械循环后效率保持92.5%，解决了机械疲劳问题。

4、展示了大面积柔性模块的可扩展性与工业应用

非晶晶界策略通过槽模涂布工艺实现大面积柔性组件生产，β-CD提高薄膜均匀性，21.07 cm²组件效率21.09%，1.4725 m²组件功率226 W，重量比功率558 W/kg，1000次弯曲后功率保持96.9%。

技术优势：

1、开发了数据驱动的分子筛选

作者将数据驱动的机器学习与钝化方法相结合，利用机器学习（XGBoost 算法）预测材料稳定性，识别出具有特定伸长率和氢键能力的 β-环糊精衍生物作为最优钝化剂。

2、提出了“分子胶”非晶晶界工程

通过自组装形成的超薄（3-5 nm）非晶层，不仅通过多齿螯合有效钝化缺陷，还作为应力消散层防止弯曲过程中的裂纹萌生，实现了光电效率与机械强度的协同提升。

技术细节

非晶晶界钝化策略

研究团队针对柔性钙钛矿电池中效率与机械柔韧性之间的权衡难题，首先采用了数据驱动的机器学习方法进行分子筛选。通过构建包含延伸率、氢键能力和抗拉强度等关键描述符的数据库，利用 XGBoost 三元分类器成功预测了材料的循环稳定性，识别出环糊精（CD）基系统是增强柔性器件的最优候选者。基于此，团队设计并引入了三种 β-环糊精衍生物，其中氨基功能化的衍生物 C（Mono-(6-diethylenetriamine-6-deoxy)-β-CD）表现最突出。实验表征显示，衍生物 C 能在钙钛矿晶界处原位自组装形成一层 3-5 nm 厚的非晶保护层。该非晶层通过多齿螯合、强氢键（N–H…I 和 O–H…I）以及主客体相互作用，像“分子胶”一样紧紧锚定晶粒。与传统的脆性晶体钝化层不同，这种非晶网络能够均匀重新分配机械应力并消散能量，从而在根本上抑制弯曲过程中的裂纹萌生，使薄膜在 10,000 次弯曲循环后依然保持完整的形貌。

图  β-环糊精衍生物对柔性钙钛矿薄膜的影响

钙钛矿结晶动力学

为了深入理解非晶晶界的形成过程，研究者通过原位荧光（PL）和原位 X 射线衍射（XRD）延缓了结晶过程，这归因于其独特的分子络合与空间位阻机制。β-CD 分子通过主客体相互作用螯合铅离子并络合溶剂分子，作为“释放调节剂”降低了自由物种的局部过饱和度，并提高了成核能垒。这种受控的结晶 pathway 诱导生成了高质量、低缺陷密度的钙钛矿晶体，并使载流子寿命从对照组的 81.07 ns 延长至 175.78 ns。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了 β-CD 与 [PbI₆]⁴⁻ 八面体间的强化学配位，这不仅钝化了配位不足的 Pb²⁺ 缺陷，还显著增强了薄膜的疏水性（接触角从 60.6° 提升至 82.2°），从微观层面提升了材料对环境水分和热应力的抵抗力。

图  非晶晶界钙钛矿晶化动力学

电池效率与稳定性

在高性能柔性器件的制备中，该工程策略实现了24.52% 的高能量转换效率（PCE），这是目前 p-i-n 结构柔性钙钛矿电池中的领先水平。器件的开路电压（V_OC）和填充因子（FF）均得到显著优化，这主要得益于非晶晶界对非辐射复合的有效抑制。在稳定性评估中，改性后的器件展现了卓越的耐久性：在环境空气中放置 300 天后仍能保持 95% 的初始效率，而未改性器件仅剩余约 60%。在连续光照下的最大功率点跟踪（MPPT）实验中，封装器件在 650 小时后依然维持 80% 的性能，表现出极强的光热稳定性。最令人印象深刻的是其机械健壮性，在 6 mm 弯曲半径下经历 10,000 次循环后，效率保持率高达 92.5%。这种卓越的表现得益于非晶界面能够可逆地吸收应变能，防止了柔性基板与钙钛矿层之间的剥离，成功解决了大面积柔性器件在实际使用中的机械疲劳问题。

图  柔性钙钛矿太阳能电池的耐久性和光伏性能评估

大面积柔性模块的可扩展性与工业应用

该研究最显著的突破在于证明了非晶晶界策略在大面积工业化生产中的适用性。通过槽模涂布（Slot-die coating）工艺，团队成功制备了一系列不同尺寸的柔性组件，并获得了第三方机构的认证。实验结果显示，引入 β-CD 显著提高了大面积薄膜的均匀性，电致发光（EL）成像证实 C-PVK 模块在整个区域内表现出均匀的发光，无局部缺陷导致的“热点”。该技术在 21.07 cm² 的组件上实现了 21.09% 的认证效率，而在 0.5 m² 的大面积模块上实现了 17.38% 的效率。更具商业价值的是，研究团队展示了孔径面积达 1.4725 m² 的超大型柔性组件，其输出功率高达 226 W，且功率重量比（specific power）达到 558 Wkg⁻¹。即使在全尺寸组件中，该非晶晶界工程仍能有效维持机械柔韧性，在 1,000 次弯曲测试后保持 96.9% 的功率输出，为柔性钙钛矿光伏技术的低成本、大规模商业部署扫清了关键障碍。

图  大面积柔性钙钛矿组件的制备及其光伏性能

图  大面积柔性钙钛矿模块的光伏性能

展望

本研究提出了一种原位自组装非晶晶界策略，通过超分子相互作用同时提升了柔性钙钛矿电池的效率和耐用性。该策略打破了性能与柔韧性之间的权衡，实现了24.52%的高转换效率及优异的弯曲稳定性。通过成功制备平方米级的高效柔性模块，这项工作为柔性光伏技术的实际商业应用扫清了关键障碍。

参考文献：

He, M., Ma, Y., Wu, S. et al. Amorphous grain boundary engineering for scalable flexible perovskite photovoltaics with improved stability. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01932-4

已收藏 0

点赞 4