在高湿度条件下制备高效 CsPbI3 太阳能电池的响应湿度结晶策略

把潮湿空气从问题变为动力

由晶体材料 CsPbI3 制成的太阳能电池承诺提供低成本、高效率的太阳能，但问题是：它们通常必须在非常干燥、严格控制的环境中制造。空气中的水分会在制备过程中破坏其晶体结构，削弱性能并提高成本。本研究表明，一种巧妙的化学助剂可以把湿度从有害的敌人转变为有用的盟友，使高性能 CsPbI3 太阳能电池能够在普通、相对潮湿的空气中制造。

为何这种太阳能材料如此脆弱

CsPbI3 是一种无机钙钛矿，这类材料以极佳的光吸收性能著称。在其理想的“黑色”相中，CsPbI3 能高效地将光转化为电能且化学上较为稳健。然而，铯离子的体积较小会使晶格承受应变，容易转变为吸光性很差的“黄色”相。空气中的水分通过促成晶体中微小空位和畸变，加速这一不希望出现的相变。因此，大多数高效率的 CsPbI3 器件必须在相对湿度低于约 40% 的干燥惰性环境中制造，这既昂贵又难以大规模生产。

一种“懂湿度”的添加剂加入体系

研究人员通过将一种小分子有机硅烷——丙基三乙氧基硅烷（PTES）直接加入用于涂覆薄 CsPbI3 膜的液体“墨水”中来应对这一挑战。PTES 与水具有特殊的反应关系：在潮湿空气中它会缓慢与水分反应，形成能够同时与钙钛矿部分以及晶体生长过程中形成的中间化合物（DMAPbI3）结合的硅氧烷基团。这样，PTES 有助于从中间体中抽出二甲基铵（DMA+）离子，使铯离子更容易占据其位置，从而加速向所需的黑相 CsPbI3 的转变。与此同时，水解后的 PTES 分子开始在形成的晶体周围和内部搭建起网络结构。

隐形网络如何构建更优的晶体

在约 55% 相对湿度的空气中继续制备时，源自 PTES 的基团连接形成 Si–O–Si 和 Si–O–Pb 桥键，在钙钛矿晶粒内外构建出交联的、部分疏水的支架结构。通过 X 射线衍射、拉曼光谱、电子显微镜和表面分析等测量可见，该网络降低了内部应变、平滑了薄膜表面并减少了诸如缺失碘原子等原子级缺陷的密度。晶体变得更大、更均匀且结构更稳定，降低了水和氧可发起降解的位点。在电子层面上，薄膜内部的能量格局发生有利于高效电荷分离与传输的变化，延长了光生载流子的寿命并减少了非辐射损失。

从实验室薄膜到可工作的太阳能器件

当这些经 PTES 处理的薄膜组装成完整的太阳能电池时，其性能相比在相同潮湿条件下制备的未处理器件明显提升。在普通空气、55% 相对湿度下，改进后的电池达到 21.00% 的光电转换效率和异常高的 86.1% 填充因子，表明绝大多数产生的电荷被成功收集。通过调整湿度和加工条件，团队将效率进一步推高，在 25% 相对湿度下达到 21.85%，而在氮气中旋涂薄膜后在空气中加热处理时达到 22.60%（认证值 22.02%）。大面积器件也表现良好，长期测试显示 PTES 处理的电池在光照和湿度作用下保留了大部分初始输出，远超对照器件。

这对未来太阳能板意味着什么

通俗地说，这项研究引入了一种智能的“分子支架”，在太阳能电池制备过程中将麻烦的水分转变为有益的协同因子。PTES 捕获并去除不需要的离子，引导正确晶相的生长，然后用耐湿网络将该结构固定。这样就可以在更少限制的环境中制造高效率的 CsPbI3 太阳能电池，而不牺牲性能或稳定性。如果放大生产，这种策略可能降低制造成本并简化工厂设计，使耐久的全无机钙钛矿太阳能板更接近实际应用部署。

引用: Dai, W., Li, J., Gou, Y. et al. Moisture-responsive crystallization strategy for efficient CsPbI₃ solar cells fabricated under high-humidity conditions. Nat Commun 17, 3363 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69687-4

关键词: 钙钛矿太阳能电池, CsPbI3, 耐湿制造, 晶体添加剂, 稳定光伏器件