近日，电机系易陈谊团队与厦门大学、暨南大学合作，在钙钛矿太阳能电池领域取得重要突破。相关研究成果以“Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells”为题，发表于国际学术期刊《Science》（科学）上。

图1. 普鲁士蓝模板调控钙钛矿结晶的热力学和动力学

钙钛矿太阳能电池近年来在光电转换效率上迅速逼近成熟硅技术，但从实验室小面积器件走向商业化组件，仍面临一个持续存在的挑战：钙钛矿晶格处于动态演化之中——溶液加工过程中随机成核和中间相演变会引入残余应变、晶格无序和元素缺陷，而这些在结晶阶段“埋下”的缺陷，会在后续光照、热和电偏压下被放大，驱动离子再分布和不可逆降解。

针对上述难题，研究团队创新性地引入了一种刚性、结构同源的普鲁士蓝（Prussian blue, PB）框架。普鲁士蓝与卤化物钙钛矿具有晶格匹配性，其稳健的Fe-C≡N-Fe网络使PB既能诱导薄膜有序结晶，又能在器件运行中保持结构完整性。具体而言，在结晶阶段，PB促进异质成核并抑制中间相，制备出高度取向、应变弛豫的钙钛矿薄膜；在运行阶段，其氧化还原活性可介导Pb⁰和I⁰缺陷的转化，其刚性开放框架结构还可抑制 A 位阳离子的再分布及偏压下电子不均匀。

图2. 利用普鲁士蓝调控钙钛矿离子动力学的机理探索

研究结果表明，将PB纳米颗粒作为功能化模板引入后，正式（n-i-p）和反式（p-i-n）两种结构的钙钛矿电池性能均可以得到提升，并且基于该方法可实现高效率钙钛矿组件。例如，PB的引入可将n-i-p器件的冠军光电转换效率（PCE）从24.2%提高到26.1%；p-i-n器件的冠军PCE达到26.9%（认证效率26.2%），而对照器件为26.0%。研究团队进一步将这一策略扩展到钙钛矿太阳能组件。6 cm×6 cm的迷你组件实现了23.4%的冠军PCE，较对照组的20.1%实现了大幅提升。进一步放大到30 cm×30 cm的组件（孔径面积756 cm⟡），实现了认证PCE 22.9%，稳态输出效率为22.8%。

图3. 从小面积电池到大面积模组的光伏性能

稳定性方面，迷你组件在85 ^oC、85%相对湿度下老化2500小时后保持初始效率90%以上，在65 ^oC、50%相对湿度下连续最大功率点跟踪（MPPT）2200小时后保持80%以上。进一步研究表明，组件在68-110 ^oC、1个太阳光照与MPPT条件下，退化符合Arrhenius关系，表观活化能约0.74 eV；外推35 ^oC运行时的T80约为6.2×10⁴小时（约7年）。此外，该研究还进行了户外测试，珠海5个月ISOS-O-2测试中，基于该方法制备的钙钛矿组件相对商用硅组件参考的归一化效率比值接近1，无明显衰减，展示了其良好户外稳定性。

图4. 多种应力条件下的器件稳定性评估

电机系易陈谊和“水木学者”博士后周俊杰分别为本论文的共同通讯作者和共同第一作者；论文通讯作者还包括厦门大学郑南峰、吴炳辉，暨南大学麦耀华、刘冲。本研究得到了国家自然科学基金和清华大学电机系自主创新科研计划-基础研究支持专项等项目的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef5487