用于倒置钙钛矿太阳能电池中动态应变调控的可逆交联策略

为什么柔性太阳能材料会过早损耗

由钙钛矿制成的太阳能电池承诺以低成本实现高效率，但在日常使用中它们面临一个微妙的问题：白天反复受光加热，夜晚又冷却。这样的昼夜“呼吸”使它们柔软的晶体结构不断拉伸和收缩，逐渐产生损伤并降低发电性能。本文研究引入了一种巧妙的分子“缓冲器”，使钙钛矿太阳能电池能够应对这种持续的运动，从而在更长时间内保持高效运行。

易碎晶体的日常“锻炼”

传统的硅太阳能电池相当刚性，而钙钛矿更像是较硬的凝胶。在阳光下，钙钛矿层会变暖并膨胀；在黑暗中则冷却收缩。经过多次昼夜循环，这种持续的应变会在材料内部产生微小的畸变、缺陷和裂纹。这些不完美之处会捕获电荷并为离子不受控迁移打开通道，从而加速性能衰退。以往的方法试图让晶体更坚韧或把它粘接到周围结构上，但大多是静态的修补：它们可以抵抗膨胀或收缩中的一种情况，但不能在上千个循环中同时动态应对两者。

随温度变化的智能添加剂

研究人员设计了一种名为 MTA 的小分子，位于钙钛矿晶粒的边界处——应变往往在这里集中。MTA 有两项特殊功能。首先，在制备钙钛矿薄膜的加热步骤中，它可以连接成长链，轻微缝合相邻晶粒。其次，分子的一部分形成可逆键，能对温度作出响应。在较高温度（类似白天工作时）下，这些键打开并将链连接成坚固的三维网络，支撑钙钛矿并限制其膨胀程度。当器件冷却到室温时，这些键又闭合，网络回到更柔性的链状结构，使晶格能够恢复，而不是将应力锁定在结构中。

循环过程中更少的隐性损伤

为了验证这种可逆缝合是否真能缓解日常应力，团队在切换热光照条件与较冷暗条件时追踪了钙钛矿晶格的变化。不含 MTA 的薄膜在仅几次循环后就出现了持续的畸变，表现为原子间距不均匀和晶格线弯曲。相比之下，含 MTA 的薄膜保持了均一的间距，表明应变在每个夜晚得到了释放。工作太阳能电池的电学测试也得出类似结论：标准器件随着循环会产生更多且更深的陷阱态、载流子抽取变慢以及离子迁移加速。而含有 MTA 的电池在载流子寿命、陷阱密度和离子运动方面几乎没有变化，证实动态网络正在保护材料免受内部疲劳。

更好的性能与更长的寿命

值得注意的是，这种保护并未以损失输出功率为代价。用 MTA 制备的倒置钙钛矿太阳能电池达到约 26.5% 的高效率，属于该类器件的优异水平。更为显著的是它们的耐久性：在一种交替进行 12 小时高温光照与 12 小时黑暗的严格测试中——模拟实际户外使用——改良电池在 1800 小时后仍保持约 95.7% 的初始效率。相比之下，不含该添加剂的类似电池在不到三分之一时间内就损失了约一半的输出，部分原因是随着应变引起的缺陷累积，游离离子迁移并与金属电极反应。

将太阳应变变为优势

这项工作表明，与其用刚性手段抵抗热运动，不如有意识地内置可控的柔性更为明智。MTA 分子像微小的可逆弹簧，在白天高温时变硬、夜间变软，防止损伤同时让钙钛矿得以自我恢复。对普通读者而言，关键信息是：巧妙的分子设计能把钙钛矿的弱点——柔软性和对温度的敏感——转化为可控的行为，使这种有前景的太阳能电池更接近实际应用所需的稳定性。

引用: Li, W., Feng, B., Cui, Z. et al. Reversible crosslinking strategy for dynamic strain regulation in inverted perovskite solar cells. Nat Commun 17, 4049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70697-5

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 材料稳定性, 动态聚合物, 应变工程, 可再生能源