【复材前沿】西安交大2026年首篇Science成果：分子压印退火技术突破钙钛矿太阳能电池瓶颈
钙钛矿光伏材料凭借近年来不断刷新的器件效率纪录，以及高性能与低成本兼具的优势，成为下一代太阳能电池发展的重要方向。不过，器件制备时必需的热退火步骤虽能推动晶体生长与结晶完善，却常引发表面缺陷增加、结构退化等问题——尤其是热结晶过程中难以避免的表面碘空位缺陷，会作为“触发源”导致钙钛矿结构逐步降解，还会伴随晶格无序加剧、离子迁移增强及不利自掺杂效应，最终使器件性能与稳定性显著下降，这是制约钙钛矿太阳能电池效率提升和长期稳定的关键难题。
针对这一核心挑战，西安交通大学物理学院先进功能材料与器件物理团队的梁超教授，联合厦门大学张金宝教授团队，提出了全新的固态分子压印退火（Molecular Press Annealing，MPA）策略。该方法在热退火时，将致密的吡啶基分子模板原位压印在钙钛矿表面，无需引入任何溶剂，就能实现对晶格结构的分子级“原位约束”。其中，精心设计的配体分子2-吡啶乙胺可与表面欠配位的铅离子形成稳定双齿配位结构，在整个退火过程中持续稳固钙钛矿铅碘骨架，有效抑制碘空位的生成与扩散，从根源阻断热诱导的结构退化。
借助这一策略，钙钛矿薄膜在结晶过程中实现了高结晶质量与低缺陷密度的协同优化，电荷输运与收集效率大幅提升。基于该技术制备的n-i-p结构钙钛矿太阳能电池，0.08 cm²小面积器件效率达26.6%（权威认证为26.5%），1 cm²器件效率为24.9%，16 cm²模组器件仍保持23.0%的光电转换效率。同时，器件稳定性卓越：在85℃、60%相对湿度（ISOS-L-3标准）的连续工作条件下运行1600余小时后，仍保留98%以上初始效率；在环境存储条件（ISOS-D-1标准）下放置超5000小时，性能几乎无明显衰减。
近日，该成果以《分子压印退火实现高稳定性钙钛矿太阳能电池》（Molecular press annealing enables robust perovskite solar cells）为题，于1月9日在《科学》（Science）杂志在线发表，标志着西安交通大学在钙钛矿材料与器件物理研究领域再获重大突破。
西安交通大学物理学院为通讯作者单位，博士研究生林越辛是共同第一作者，梁超教授为通讯作者，厦门大学材料学院张金宝教授、杨丽助理教授为共同通讯作者。研究得到西安交通大学分析测试中心在材料结构测试与分析上的支持，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划、中央高校基本科研业务费、电工材料电气绝缘全国重点实验室等项目的资助。
图1 MPA工艺及钙钛矿薄膜退火过程中的实时表征。（A）2-Pyy压印薄膜的制备过程。（B）钙钛矿退火过程中MPA的工艺流程。（C）和（D）分别为对照组和MPA处理组钙钛矿薄膜的原位光致发光强度随退火时间的变化曲线。（E）对照组和MPA处理组FAPbI3钙钛矿衍射峰的时间分辨原位XRD强度演变曲线，插图为强度映射图像。（F）PbI2衍射峰的积分强度随时间的变化。
图2 MPA策略功能机制的理论模拟和实验验证。（A至D）对照薄膜在423 K模拟热退火条件下的快照。（E至H）MPA处理薄膜在423 K模拟热退火条件下的快照，展现增强的结构稳定性与降低的动态无序性。（I）不同配位基序的配体工程化吡啶基分子在钙钛矿表面的吸附能。（J）对照薄膜和MPA处理薄膜中空位缺陷的形成能。（K）退火后对照薄膜和MPA处理薄膜的C 1s高分辨率XPS谱图。（L）和（M）分别为对照组和MPA处理组钙钛矿太阳能电池的深度依赖性陷阱密度分布图。
图3 钙钛矿薄膜质量和降解机制的表征。（A）和（B）分别为对照组（A）和MPA处理组（B）薄膜的太赫兹光电导谱。（C）和（D）分别为常规退火与MPA策略及功能机制过程中钙钛矿降解路径的示意图。（E）和（F）分别为对照组和MPA处理组薄膜的开尔文探针力显微镜表面电势图。（G）和（H）分别为沿（E）和（F）中紫色标记线的线扫描轮廓图。（I）和（J）分别为对照组和MPA处理组薄膜的导电原子力显微镜电流图。（K）和（L）分别为沿（I）和（J）中紫色路径的线轮廓图。
图4 MPA策略的光伏性能和普适性。（A）传统溶液法钝化与固态MPA策略制备的钙钛矿太阳能电池J-V曲线。（B）基于MPA策略的1 cm²大尺寸器件J-V曲线。（C）器件性能统计分析，用于测试MPA技术的重复性。（D）ISOS-L-3协议下对照组与MPA处理组器件的运行稳定性。（E）ISOS-D-1协议下未封装的对照组与MPA处理组器件在环境条件下的避光长期储存稳定性测试。
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