给分子“刻指纹”，他们让钙钛矿太阳能电池面积更大、寿命更长
经过数十次尝试与无数个通宵实验，研究团队终于锁定了一个看似平凡却极为关键的温度窗口。那一刻，实验室里响起了久违的欢呼声。
近日，西安交通大学物理学院教授梁超团队联合厦门大学教授张金宝团队，在钙钛矿材料与器件物理研究领域取得又一重要突破。他们提出了一种全新的“固态分子压印退火”策略，成功制备出高稳定性的钙钛矿太阳能电池。该成果于1月9日在《科学》上发表。
“热退火”引发表面缺陷
西安交通大学物理学院教授梁超介绍，钙钛矿光伏材料近年来在器件效率上屡创纪录，兼具高性能与低制造成本等显著优势，为下一代太阳能电池的发展提供了新的方向。
但在制备器件时，有一个必不可少的步骤叫热退火，也就是加热材料，帮助晶体长得更好、更完整。问题在于，这个加热过程虽然有好处，却也会带来“副作用”。在高温下，钙钛矿表面很容易产生一些缺陷，尤其是碘原子缺失形成的“碘空位”。这些缺陷就像“隐患源头”，会一步步破坏钙钛矿原本稳定的结构。随着缺陷增多，材料内部会变得越来越“杂乱”，晶格不再整齐，离子更容易在材料中乱跑，还会出现不利的自发掺杂现象。
“结果就是，太阳能电池的发电效率下降，用不了多久性能就开始衰退。因此，热退火过程中引发的表面缺陷问题，已经成为限制钙钛矿太阳能电池效率进一步提升和长期稳定使用的一个关键难题。”梁超解释道。
针对这一问题，团队提出了一种全新的固态分子压印退火（MPA）策略。该方法在热退火过程中，将一层致密的吡啶基分子模板原位压印于钙钛矿表面，在不引入任何溶剂的条件下，实现对晶格结构的分子尺度“原位约束”。其中，团队精心设计的配体分子2-吡啶乙胺能够与表面欠配位的铅离子形成稳定的双齿配位结构，在整个退火过程中持续稳固钙钛矿铅碘骨架，有效抑制碘空位的生成与扩散，从源头阻断热诱导的结构退化。
论文第一作者林越辛（左一）与团队成员在实验室。受访者供图论文第一作者、西安交通大学物理学院博士生林越辛进一步解释，固态分子压印退火策略可以形象地理解为在固态薄膜中为目标分子“量身定制模具”，并通过退火过程将这一模具稳定固化。
与传统依赖溶液体系的分子压印方法不同，该团队提出的策略全过程在固态中完成，无需经历溶解与重构，从而避免了结构破坏，使材料能够精准地“记住”目标分子的形状和功能特征。“换句话说，这种方法不是对分子的短暂识别，而是将其‘分子指纹’长期、稳定地刻写进材料内部。”林越辛表示。
运行1600小时后电池性能保持98%
团队通过采用这一新方法，钙钛矿薄膜在“长晶体”的过程中，不仅晶体长得更规整，而且内部和表面的缺陷明显减少。这种“晶体好、毛病少”的状态，使电荷在材料中传输得更顺畅，也更容易被电极收集起来，从而显著提高了太阳能电池的发电效率。
利用这项技术制备的钙钛矿太阳能电池，在0.08平方厘米的器件面积上，效率最高达到了26.6%；当面积放大到1平方厘米时，效率依然达到24.9%；即使进一步放大到16平方厘米的模组器件，效率仍能保持在23.0%。
“说明这种方法非常适合做大面积器件，而不是‘仅仅局限于实验室里的小面积样品’。”林越辛介绍，更重要的是，这种器件还非常耐用。在85℃高温和60%较高湿度的严苛工作环境下，连续运行超过1600小时后，电池仍能保持98%以上的初始性能；在日常环境下存放超过5000小时，性能几乎没有明显下降。
“简单来说，这项工作不仅让钙钛矿太阳能电池效率更高，而且在做大面积和长期稳定性方面也表现得非常可靠，离实际应用又近了一大步。”林越辛指出。
梁超表示，这项成果不仅在效率上达到了目前国际钙钛矿单结太阳能电池的顶尖水平，而且在面积扩展和长期稳定性方面也表现极为出色，是全球钙钛矿太阳能电池研究中的先进代表性成果。
该技术可广泛应用于能源与功能材料领域，例如用于光伏电池和电催化体系中活性位点的精准调控、功能膜材料的定向设计，以及智能响应材料中分子识别与功能构筑的实现。
锁定关键温度窗口
据林越辛回忆，在科研攻关过程中，团队最大的挑战在于如何在固态体系中同时实现分子压印效应和钙钛矿结构稳定性的平衡。退火温度稍高，材料结构会被破坏而“失忆”；温度偏低，又难以形成有效的分子记忆。前期的实验结果常常模糊甚至相互矛盾，有时连续几天的努力都没有任何突破，团队一度陷入迷茫和焦虑。
为了寻找突破口，团队决定重新梳理实验思路，从“微观机制”入手。成员们围绕关键温度区间进行了系统化分组实验：有人专门优化温度曲线，有人观察薄膜的晶体形貌，有人跟踪分子识别信号。每一次失败，都带来新的思考。
“有一次，一个样品在显微镜下显示了微弱的晶体有序区域，大家立刻聚在显微镜旁反复确认，才发现这可能就是分子压印效果初步显现的迹象。”林越辛告诉《中国科学报》。
经过数十次尝试和无数个通宵实验，团队终于精准锁定了高度关键的温度窗口。在这一条件下，钙钛矿薄膜不仅晶体生长良好，而且分子识别信号清晰、稳定。那一刻，实验室里响起了难得的欢呼声，大家深刻体会到：科研不仅是技术和方法的比拼，更是耐心、细致与对材料微观规律理解的较量。
西安交通大学物理学院教授梁超（后排右三）团队。受访者供图这一经历也让团队形成了默契：每一次失败都是对假设的修正，每一次小的发现都可能成为突破的关键。正是这种坚持和探索精神，使分子压印退火策略从概念验证走向真正可控，实现了在效率和稳定性上同时突破钙钛矿电池的关键瓶颈。
展望未来，团队将致力于构建一种可复制、可推广的固态分子精准构筑方法学，赋予材料稳定而可靠的分子级智能识别能力，并推动其在能源等关键领域中的深入应用与实际落地。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aea8228
本文链接：http://www.gihot.com/show-11-30568-0.html给分子“刻指纹”，他们让钙钛矿太阳能电池面积更大、寿命更长
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