《Nature Communications》刊发北航材料学院调控中间相晶体取向推动碳基CsPbI3钙钛矿太阳能电池效率突破20%研究成果

第一作者：李高峰

通讯作者：陈海宁*，刘治科*，林则东*

单位：北京航空航天大学，陕西师范大学

无机 CsPbI₃钙钛矿因具备优异的化学稳定性和接近理想的带隙特性，为解决制约钙钛矿太阳能电池（PSCs）寿命的有机 - 无机杂化钙钛矿稳定性问题提供了极具前景的方案。然而，传统的中间体相（二甲基碘化铵铅，DMAPbI₃）模板法存在相转化效率低的缺陷，阻碍了高性能 PSCs 的发展。

基于该策略制备的无空穴传输层碳基 CsPbI₃ PSCs 实现了 20.72% 的创纪录效率（第三方认证效率为 20.35%）；未封装器件在 1-sun 光照下进行 1156 小时连续最大功率点跟踪测试后，仍可保留初始效率的 85% 以上。

首次利用化学浴沉积在 TiO₂基底引入 - F、-Cl、-SO₄无机官能团，建立 **-F <-Cl < -SO₄** 的 Pb²⁺络合强度规律，精准调控 DMAPbI₃中间相 [100] 晶体择优取向。

无需空穴传输层的碳基 CsPbI₃全无机钙钛矿太阳能电池，光电转换效率突破 20%，最高达 20.72%，认证效率 20.35%，刷新同类型器件效率纪录。

器件兼具优异光照运行稳定性与热稳定性；未封装器件 1 倍光强下 MPP 追踪 1156 小时效率保留超 85%，85℃高温氮气环境下老化 1000 小时仍维持 93% 初始效率，是同架构器件首次实现千小时级运行与热双重长时稳定。

(a) DMAPbI₃晶体结构；(b) 对应 (100) 与 (001) 晶面的原子组成特征；(c) DMAPbI₃ (100)/(001) 晶面的 Pb 原子密度，及其在 TiO₂表面的吸附能；(d) DFT 计算的不同无机阴离子在 DMAPbI₃ (100) 晶面的吸附能，及对应的结合构型；(e) CBD 过程示意图与钛盐水解的通用反应式；(f) 不同 TiO₂薄膜的 F 1s、Cl 2p 和 S 2p XPS 谱图及其对应结合构型；(g) 不同 TiO₂薄膜的透过率光谱。

(a–d) 不同 TiO₂基底上生长的中间相薄膜的 GIWAXS 图谱，前驱液均为 PbI₂/DMAI/CsI 体系；(e) DMAPbI₃ (100) 晶面的归一化方位角积分图；(f) 中间相随机取向与择优取向晶体结构的示意图；(g–j) 由 PbI₂/DMAI/CsI 溶液在不同 TiO₂基底上生长的中间相薄膜的顶视 SEM 图（比例尺：1 μm）；(k–n) 由 PbI₂/DMAI 溶液在不同 TiO₂基底上生长的中间相薄膜的顶视 SEM 图（比例尺：50 μm），(k–n) 左上角插图为更高放大倍率的 SEM 图像，比例尺：10 μm。

(a) 不同中间相薄膜在～20% RH 空气氛围中 220 ℃退火不同时长后的照片；(b–e) 不同中间相薄膜退火 5 s、50 s、3 min、15 min 后的 XRD 图谱；(f, h) TiO₂和 TiO₂-SO₄基底上生长的中间相薄膜退火 3 min 后的截面 STEM 图（比例尺：200 nm），STEM 表征样品通过 FIB 切割制备；(g, i) 对应 (f, h) 中黄色圆圈区域的高分辨 HAADF-STEM 图像（比例尺：2 nm）；(j, k) 不同取向 DMAPbI₃向 CsPbI₃钙钛矿转化过程的示意图，及对应结构演化沿能量分布的理论模拟。

(a) 剥离测试所用设备与样品结构示意图；(b) 不同基底上生长的钙钛矿薄膜的应力 - 应变曲线；(c) 2θ–sin²ψ 的线性拟合结果；(d) DFT 计算的不同离子在钙钛矿表面的吸附能，及对应的电荷密度分布；(e) 不同钙钛矿薄膜的 PL 光谱；(f) 不同钙钛矿薄膜的 TRPL 曲线（从薄膜顶部激发）；(g–j) 不同钙钛矿薄膜的 QFLS 映射图及对应统计结果（比例尺：2 μm）；(k–n) 不同基底上生长的钙钛矿薄膜的 C-AFM 映射图（比例尺：1 μm）。不同 DMAPbI₃中间相的晶体取向：

(a) CsPbI₃ C-PSC 的器件结构示意图与截面 SEM 图（比例尺：1 μm）；(b) TiO₂和 TiO₂-SO₄器件的正反扫 J-V 曲线；(c) 已报道 CsPbI₃ C-PSC 的 PCE 发展趋势；(d) TiO₂和 TiO₂-SO₄器件的稳态输出性能；(e) TiO₂和 TiO₂-SO₄器件的 EQE 光谱及积分 Jsc 曲线；(f) 未封装器件在 1-sun 光照、~25 ℃、30–40% RH 空气环境下的 MPP 跟踪结果；(g) 存储于 N₂手套箱、85 ℃环境下的未封装器件的归一化 PCE 演化曲线。

Li, G., Tan, J., Lin, C. et al. Directing intermediate phase crystallographic orientation promotes carbon-based CsPbI3 perovskite solar cells to beyond 20% efficiency. Nat Commun (2026).

陈海宁教授简介：陈海宁，北京航空航天大学材料科学与工程学院，教授（博导）。2008年和2013年毕业于北航材料学院，分别获得学士和博士学位；2013年-2016年在香港科技大学从事博士后研究工作；2016年加入北航材料学院，任副教授；2024年晋升为教授。担任材料科学与工程学院材料化学系副主任、北京表面工程学会副秘书长、科技创新特区项目专家等职务。主讲《新能源材料化学》《材料表面防护理论和技术》《材料化学特色实验》等课程，负责国家级一流本科课程《航空航天典型零部件电镀工艺虚拟仿真实验》，参编《航空航天结构材料》《材料腐蚀原理和防护技术》等教材。

研究方向为功能薄膜材料、光电信息材料、太阳能电池材料等；主持包括2项国家自然科学基金、3项科技创新特区项目、2项北京市自然科学基金等在内的科研项目；出版中文学术专著1本《无机钙钛矿太阳能电池》和英文学术专著1章；至今申请发明专利40余项，发表学术论文160余篇，其中以第一/通讯作者在Nat. Photon., Nat. Commun., Sci. Bull., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Matter, Nano Lett., Acs Energy Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等著名期刊上发表论文80余篇，论文总引用数超过13500次，H因子57；2020-2025年入选Elsevier-Stanford联合发布的世界Top 2%科学家榜单，2022-2025年入选Research.com发布的材料学科顶尖科学家榜单，2019年入选英国皇家化学会材料类期刊Top1%高被引作者。