使用单晶前驱体提高基于甲铵铅碘化物钙钛矿太阳能电池的性能与稳定性

将光转为能量，室内与室外皆可

屋顶上已经普遍安装了太阳能板，但一种名为钙钛矿的新型材料有望实现更高的效率和更低的制造成本。最早且最简单的钙钛矿之一，称为 MAPbI3，因在光照和高温下容易降解而臭名昭著。本研究重新审视了这一观点，表明通过改变材料制备方式可以显著提升其输出功率和长期稳定性，从而为不仅在室外、也能在室内照明下为小型电子设备提供可靠太阳能打开了可能性。

这些太阳能材料为何重要

钙钛矿太阳能电池因能高效吸收日光且可在相对低温下通过溶液工艺制备而备受关注。尤其是 MAPbI3，制备简单且性能均衡，但早期许多报告将其归类为不适合实际应用的脆弱材料。这一结论主要来自使用典型配方制成的薄膜：将两种起始盐在溶剂中混合并在基底上反应形成薄膜。在这些常规薄膜中，常常会残留少量一种盐——铅碘化物。长期以来，这些残留要么被视为微小缺陷，要么甚至被认为是有益的特性，这可能掩盖了 MAPbI3 的真实潜力。

构建吸光层的新方法

研究人员从问题源头入手：制备钙钛矿薄膜所用的液体“墨水”。他们没有将可能无法完全反应的分立前驱体混合，而是先生长出大尺寸、纯净的 MAPbI3 单晶，然后溶解这些单晶制成涂布溶液。由于单晶已经具有正确的成分比例，所得薄膜基本不含剩余的铅碘化物或其他不需要的副产物。当将这些基于单晶的薄膜用于标准太阳能电池结构时，器件的光电转换效率达到 21.55%，而由常规溶液制备的电池为 18.61%——这一显著提升主要来自更高的电压和更有利的电流—电压特性。

更洁净的薄膜，更少的隐性缺陷

详尽的表征揭示了单晶路线为何效果显著。显微成像显示，常规薄膜在晶界处常有许多小而明亮的斑点；这些斑点的特征与铅碘化物残留相吻合。相比之下，新制备的薄膜形成致密、光滑且晶粒均匀的层，未见明显的杂质团簇。用于统计内部缺陷的电学测试发现，改进后的薄膜具有明显更低的电荷陷阱密度，从而减少电荷被捕获和损失。其他测量还显示内部电场更强、非期望的泄漏电流减少。综上，这些特性促进了光生电荷的更有效分离与传输。

稳定性与残留盐的隐蔽作用

最大惊喜来自两类薄膜随时间老化的不同表现。未封装的常规溶液制备的器件性能迅速下降，效率降至初始值的一半以下。而由单晶衍生薄膜制成的器件在室温空气中约六周后仍保持初始输出的 98%。通过追踪晶体结构和表面化学的变化，团队将这种差异归因于由水分和光驱动的化学反应循环。残留的铅碘化物可与水反应生成新化合物和反应性酸性物质，后者会侵蚀钙钛矿本体。在光照下，这些残留还可能进一步分解为金属铅和碘类物种，充当天然催化剂，加速材料降解并在薄膜中形成空洞。当起始薄膜几乎不含此类残留时，这些破坏性循环就会大大受到抑制。

从实验室器件到实用微模块

为了展示该方法可扩展到比小型测试电池更大的尺寸，研究者制备了尺寸为 5×5 厘米的微模块，更接近实际产品。采用单晶制备法，这些更大尺寸器件在强阳光下效率接近 20%，在典型室内 LED 照明下接近 40%，优于常规路线制成的模块。由于新薄膜在化学和结构上更均匀，因而更适合大面积制造工艺，同时保持高性能。

这对日常技术意味着什么

通过从预制的超纯钙钛矿单晶出发而非原始原料，本工作表明 MAPbI3 并非像曾经担忧的那样本质上不稳定。其不良名声很大程度上源于常规工艺中产生的铅碘化物残留，这些残留在不为人察觉的情况下引发一系列由水分和光驱动的反应，随着时间侵蚀吸光层。移除该残留后，相同的简单化合物即可在小型电池和更大模块中实现高效且持久的性能。这使得 MAPbI3 成为为室内传感器、无线设备及其他需要可靠低光能量收集的电子产品供电的有力候选者，无需复杂的材料配方。

引用: Kunnathumpeedika, S., Kattoor, V. & Wei, TC. Enhancing performance and stability of methylammonium lead iodide-based perovskite solar cells using single-crystal precursors. Commun Mater 7, 117 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01123-y

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 室内光伏, 材料稳定性, 单晶前驱体, 铅碘化物杂质