近日，北京大学物理学院现代光学研究所肖立新团队受邀与合作者在《自然评论材料》（Nature Reviews Materials）上发表题为“环境氛围制备钙钛矿光伏材料”（Ambient fabrication of perovskites for photovoltaics）评论（Comment）文章，针对钙钛矿光伏材料的环境氛围制备所面临的关键挑战及可能的应对措施进行了深入分析与总结。

针对化石燃料过度使用引发的环境与能源问题，发展环保、清洁的太阳能转换技术是实现“双碳”战略目标的重要途径之一。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光电特性、可拓展的制备工艺，受到了领域内学者的广泛关注与深入探索。目前，在惰性气氛或严格受控湿度下制备的钙钛矿太阳能电池的功率转换效率已经超过27%。然而，严格控制环境条件显著增加了制备的复杂性及成本，给大规模商业化制备带来艰巨挑战。因此，亟需开发一类受到更少环境条件限制的常规环境制备工艺。然而，钙钛矿材料对于水氧非常敏感，在环境气氛条件下实现高性能、高可重复性的器件制备依然面临极大挑战。

北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室肖立新教授课题组及合作者长期关注并深入开展有关空气环境下制备高质量钙钛矿薄膜及其光电器件的研究。针对常用配位溶剂吸水性极易诱导中间相及光伏活性黑相钙钛矿发生不利相变的科学难题，研究团队前期提出了一种原位构建晶态覆盖层策略，实现了阻止水汽分子的进入和同时保留DMSO-PbI2配合物中间体以优化结晶的双重效果，解决了经典溶剂体系在高湿度（60%RH以上）环境下稳定制备高质量钙钛矿光伏活性层的难题。相关研究成果以“晶态覆盖层用于在潮湿空气条件下制备黑相FAPbI3钙钛矿”（A crystal capping layer for formation of black-phase FAPbI3 perovskite in humid air）为题，发表于国际期刊《科学》（Science 385, 161-167 (2024)）。

图1 环境氛围对于钙钛矿材料制备的影响机制示意图

在此基础上，团队细致总结评述了水分与氧气对于杂化钙钛矿材料制备的影响机制，包括前驱体化学、结晶动力学过程以及终相薄膜稳定性三个具体阶段，以深入分析水和氧气介导的钙钛矿结晶及降解路径（图1）。针对环境空气中制备钙钛矿薄膜的难题及其未来发展，认为应当重点关注：（1）不同于正置器件，倒置器件内部各界面的水氧吸附可能损害后续电荷传输层的沉积质量与能带结构，亟需深入研究不同界面水氧吸附造成器件性能损失的失效机制；（2）宽带隙钙钛矿薄膜的高质量沉积是叠层太阳能电池器件制备中的关键一环，开发新颖、耐水氧侵蚀的X位点拟卤素组分，或是基于纯相X位点调节混合A位组分实现目标带隙，构建类似常规带隙钙钛矿中应用的抗水氧表界面微结构，是潜在的优化途径；（3）在环境空气中进行大面积钙钛矿太阳能组件的制备面临着独特挑战，使用蒸发法与溶液法相结合的混合涂布工艺有望协同提升薄膜均匀性以及对于环境气氛制备的适应性。当前亟需开发可规模化的高光谱成像等表征技术，用于大尺度范围下的结晶过程监测与优化。此外，人工智能与高通量自动化技术的结合有望高效筛选器件制备条件，加速环境气氛制备方案迭代与反向预测，有效提升研发效率与成本效益。

北京大学物理学院2024届博士毕业生邹瑜为该论文的第一作者；北京大学物理学院博士后俞文锦、肖立新教授，新加坡国立大学魏明杨教授为该论文的共同通讯作者。其他主要合作者包括北京大学物理学院陈志坚教授、曲波副教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室等的支持。